前交叉韌帶損傷研究進展

王靜宇,林小慧 綜述,李曉蘭審校

(重慶醫(yī)科大學附屬大學城醫(yī)院放射科,重慶 401331)

膝關(guān)節(jié)是人體最大、最復雜的關(guān)節(jié),前交叉韌帶(ACL)是維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的重要結(jié)構(gòu),其損傷在膝關(guān)節(jié)損傷中最為常見。ACL 損傷會使患者膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性降低,生物力學改變,導致膝關(guān)節(jié)功能障礙,并可能產(chǎn)生骨性關(guān)節(jié)炎等嚴重后果,影響患者生活質(zhì)量[1-2]。關(guān)節(jié)鏡下ACL 重建術(shù)(ACLR)是目前治療ACL 損傷的主要方法[3]。近年來,學者們對ACL 損傷不斷探索,并在ACL解剖及ACL損傷的診斷、治療等方面取得了較大的進步。然而,ACL 的損傷及損傷后重建術(shù)失敗的發(fā)生率仍居高不下[3]。因此,本文就ACL 的解剖、損傷機制及危險因素、影像學表現(xiàn)和治療等方面的研究進行系統(tǒng)綜述,旨在梳理目前ACL 研究發(fā)展現(xiàn)狀,為臨床有效預防和診治ACL 損傷提供認識。

1 ACL的大體解剖及功能

ACL 起自股骨外側(cè)髁內(nèi)面后部,穿過髁間窩,止于脛骨髁間隆突前方,主要維持膝關(guān)節(jié)前向和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。一般認為,ACL 分為前內(nèi)側(cè)束(AMB)和后外側(cè)束(PLB);AMB 分布于股骨止點后上部分至脛骨止點前內(nèi)部分,PLB 分布于股骨止點前下部分至脛骨止點后外部分。在膝關(guān)節(jié)不同運動角度,兩束功能也有所不同:AMB 在屈膝時張力最高,主要是限制脛骨前后移動,PLB 在伸膝時張力最高,主要是限制脛骨內(nèi)旋,兩者的非同步收縮維持了膝關(guān)節(jié)的整個活動功能[4]。除了維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的生物力學功能外,ACL 還具有本體感覺功能。研究表明,ACL 本體感受器主要分布于韌帶的止點兩端,占ACL 總體積的1.0%～2.5%。ACL 可通過本體感受器向大腦傳遞膝關(guān)節(jié)壓力、位置、角度、傷害刺激等信息,通過“ACL-腘繩肌反射弧”進行調(diào)節(jié),產(chǎn)生腘繩肌的收縮,對抗脛骨前移,進一步維持膝關(guān)節(jié)動態(tài)穩(wěn)定性[2]。

2 ACL損傷機制及危險因素

2.1ACL損傷機制 ACL 損傷分為接觸性損傷和非接觸性損傷。接觸性損傷是指外力直接作用于膝關(guān)節(jié)導致的ACL 損傷,常見于交通事故或者高處墜落等。非接觸性損傷是由于各種急停、變向等運動過程中突然減速或改變方向,股四頭肌收縮產(chǎn)生的過度軸向應力和扭轉(zhuǎn)剪切應力共同引起的脛骨異常前移和內(nèi)旋,在足部觸地早期尤為明顯。大部分ACL 損傷為非接觸性損傷,在足球、籃球、滑雪等運動項目中多見[3]。因此,筆者認為,對于某些專項運動員,應高度重視他們ACL 的損傷情況。

2.2ACL損傷危險因素 膝關(guān)節(jié)是人體最復雜的關(guān)節(jié),其損傷的危險因素也并不是單一的。ACL 損傷的危險因素涵蓋了個體解剖、遺傳內(nèi)分泌(如性別、激素水平)、神經(jīng)肌肉因素、環(huán)境變量等諸多方面[4]。其中,對股脛關(guān)節(jié)骨解剖形態(tài)的正確認識,可以預測ACL 損傷發(fā)生的危險性和ACL 重建術(shù)效果,并指導ACL 重建術(shù)。

2.2.1股骨 研究發(fā)現(xiàn),股骨髁形態(tài)的改變可以引起膝關(guān)節(jié)生物力學的變化,影響ACL受力的情況而增加其損傷的風險。膝關(guān)節(jié)由伸直到屈曲的過程中,脛骨內(nèi)旋增加,由于ACL從外側(cè)向內(nèi)側(cè)螺旋,因此纏繞在自身上并隨著脛骨內(nèi)旋轉(zhuǎn)而增加張力[5]。FU等[6]認為較大的股骨內(nèi)側(cè)髁和較小的外側(cè)髁可能使股骨相對于脛骨外旋,影響股骨與脛骨的相對運動,產(chǎn)生額外的脛骨內(nèi)旋力矩,增加ACL 的張力。有學者對 100 例ACL 損傷伴活動水平受限的患者進行了為期 5 年的隨訪,調(diào)查了導致ACL 損傷后膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定的潛在骨骼因素,發(fā)現(xiàn)球形的股骨髁與保守治療失敗的患者相關(guān)[7]。

多數(shù)學者認為,狹窄的股骨髁間窩可能是ACL 損傷的危險因素。因為狹窄的髁間窩易與ACL發(fā)生撞擊,加之狹窄髁間窩內(nèi)ACL 的尺寸更小,從而使得薄弱的ACL 更易發(fā)生損傷[8]。因此,有學者主張在ACL 重建時對狹窄的髁間窩進行成形手術(shù),避免ACL 的二次損傷[4]。隨著研究的深入,描述髁間窩形態(tài)學的不同參數(shù)及其影響因素也逐漸被認知。目前,影像學常用的髁間窩形態(tài)學二維分型法是A/U/W分型方法。AL-SAEED等[9]對560例患者進行MRI研究,將髁間窩形態(tài)分為三類:A型(從底部到頂部逐漸變窄,呈錐形)、U型(從底部到頂部寬度基本一致,形似倒置的字母“U”)和W型(整體與U型類似,但內(nèi)部有一個明顯的凸起,呈雙頂樣)。其中,A型髁間窩更易引起ACL損傷。此外,也有標本及關(guān)節(jié)鏡下的分型[10-11],但不同分型間的對應關(guān)系有待進一步明確。股骨髁間窩寬度指數(shù)(NWI)是髁間窩寬度與股骨髁寬度的比值,因NWI可以更好地避免個體差異,因此,其相較于股骨髁間窩寬度可以更好地描述髁間窩的大小,是目前最常用的髁間窩形態(tài)學指標。股骨髁間窩容積是一個三維概念,對于衡量股骨髁間窩這一三維結(jié)構(gòu)來說,具有更高的準確性。JHA等[4]研究認為,二維參數(shù)與髁間窩體積間無明確相關(guān)性,不能夠簡單地用二維參數(shù)替代髁間窩體積。以上髁間窩形態(tài)學參數(shù)的正常參考值及其與ACL損傷間的關(guān)系仍未得到確定,這可能與研究的人種、測量方法不同等有關(guān),且多種因素對髁間窩形態(tài)均存在影響。因此,在髁間窩形態(tài)學研究中應注意這些因素,探尋適用性更高的實驗方法,以提高研究的科學性與準確性。

2.2.2脛骨 脛骨平臺與ACL 間的解剖關(guān)系決定了它和ACL 損傷及損傷重建失效間的密切相關(guān)性。STURNICK等[12]認為,脛骨外側(cè)髁間嵴體積的減少與ACL 損傷的風險增加有關(guān)。XAIO等[13]發(fā)現(xiàn),ACL 損傷組的脛骨髁間嵴寬度和寬度指數(shù)明顯小于對照組。CAY等[14]評估了脛骨平臺和脛骨髁間嵴之間的角度即脛骨平臺角與脛骨髁間角,結(jié)果顯示,所有ACL 病例組的外側(cè)脛骨平臺角和脛骨髁間角平均值均顯著升高,這表明較淺的外側(cè)脛骨平臺會導致ACL 的張力增加,這可能是ACL 損傷的危險因素。研究表明,增大的脛骨平臺后傾角(PTS)是ACL 損傷的重要危險因素。負重時,PTS 的增大使脛骨前移幅度加大,尤其是當內(nèi)側(cè)脛骨平臺后傾角(MPTS)較小而外側(cè)脛骨平臺后傾角(LTPS)較大時,股骨遠端沿脛骨外側(cè)平臺的滑動更為明顯,使股骨外旋和脛骨內(nèi)旋增大。由于ACL 可以限制脛骨過度前移及內(nèi)旋,因此PTS 過大會增加ACL 承受的應力,從而增加ACL 斷裂的風險[15]。過大的PTS 不僅是ACL 損傷的危險因素,也是ACLR 失效的危險因素。ACL 損傷后脛骨前移的程度則會直接影響到術(shù)后的效果,而ACLR 后失效的患者常伴隨著過度的脛骨前移(ATT)。倪乾坤等[16]研究顯示,PTS ≥ 17°的患者平均具有4倍以上的風險存在負重位ATT ≥ 6 mm 的情況,這表明增大的PTS 是ATT 的一個獨立危險因素。故有學者提出,在ACL 重建同時應行脛骨前方閉合截骨術(shù)以矯正過大的PTS,減少脛骨前移[15]。而由于測量的方法不同,尚未形成公認的PTS 臨界值。事實上,臨床工作中在ACL 重建時對上述各結(jié)構(gòu)進行手術(shù)干預的指征尚不明確。

3 影像學在ACL 損傷中的應用

3.1超聲 超聲具有經(jīng)濟、靈活、可重復性好等優(yōu)點,伴隨著關(guān)節(jié)表面探頭和超聲技術(shù)的發(fā)展,超聲在ACL 損傷的篩查和評估中逐漸得到應用。正常的ACL 長軸面表現(xiàn)為連續(xù)性完整、邊界清晰、粗細均勻、張力較好的斜行低回聲帶;ACL 損傷時,表現(xiàn)為韌帶增粗或變細、回聲增粗增強,斷裂時回聲不連續(xù)、漂浮或消失。有學者分析超聲測量術(shù)前半腱肌腱和股薄肌腱直徑與移植過程中測得的實際直徑之間的相關(guān)性,結(jié)果表明術(shù)前超聲測量腘繩肌肌腱是預測其手術(shù)直徑的有效方法[17]。但由于探頭頻率、膝關(guān)節(jié)體位等不同,ACL 顯示也有所差異;超聲成像屬于二維成像,而ACL 是三維走行,且ACL 損傷常伴有周圍半月板等其他組織的損傷,超聲的成像特點使部分結(jié)構(gòu)顯示不佳,對于ACL 損傷整體的評估尚需更多的研究進一步探索。

3.2CT DECT可以通過彩色編碼,顯示ACL 的損傷,具體表現(xiàn)為“雙能染色減少征”,即損傷的ACL 染色程度偏低甚至不染色。FICKERT等[18]的離體動物實驗表明,對于ACL 部分撕裂的顯示,DECT 在顯示前內(nèi)側(cè)束的特異性及后外側(cè)束的敏感性方面甚至優(yōu)于MRI。急性ACL損傷后伴隨的骨髓水腫也可以通過相同的原理進行顯示。同時,CT 三維成像有助于ACL 損傷重建術(shù)前和術(shù)后骨隧道的評估;CT 掃描圖像還可以為三維有限元分析評估ACLR 移植物尺寸、移植物預牽張力、生物力學分析提供原始圖像數(shù)據(jù)[19-20]。

3.3MRI MRI 軟組織分辨率高的特點使其廣泛應用于膝關(guān)節(jié)損傷的影像學診斷。正常的ACL 在磁共振壓脂圖像上表現(xiàn)為連續(xù)、較均勻的帶狀低信號;ACL 損傷后韌帶增粗,韌帶內(nèi)可見局灶或彌漫性高信號,ACL 完全撕裂時信號不連續(xù),斷端攣縮[21]。然而,對于ACL 部分撕裂,MRI 診斷的敏感度、特異度仍較低[22],原因體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)ACL 黏液樣變性時會出現(xiàn)類似撕裂水腫的高信號;(2)由于部分容積效應或動脈搏動偽影的影響,ACL 會顯示不同程度的高信號;(3)含水結(jié)締組織包裹ACL 雙束結(jié)構(gòu),會有高信號出現(xiàn),與韌帶撕裂類似;(4)斜矢狀位的掃描方向通常為外旋 15°,當掃描層面與韌帶走行不平行時,有時無法將ACL 的全長顯示出來,容易漏診ACL 部分撕裂。盡管研究發(fā)現(xiàn),不同膝關(guān)節(jié)屈曲位可以較伸直位更好地顯示ACL 結(jié)構(gòu),然而目前,臨床上膝關(guān)節(jié)MRI 掃描采用的常規(guī)體位主要是仰臥伸直位,屈曲位掃描并未廣泛應用于臨床,且對于掃描最佳屈曲角度仍無統(tǒng)一定論[22]。因此,當直接征象不足以診斷或存疑時,可以參考Notch 征(股骨外側(cè)髁凹陷加深或發(fā)生局部骨挫傷)、對吻性骨挫傷(股骨外側(cè)髁及脛骨平臺后外側(cè)骨挫傷)、半月板后角裸露征(外側(cè)半月板后角后緣切線位于脛骨后緣皮質(zhì)切線后方)、脛骨前移(股骨外側(cè)髁中部的矢狀面,脛骨后緣垂直線位于股骨髁后緣垂直線前方 5 mm)等間接征象以提高診斷的準確性[23]。

除了常規(guī)MRI 成像,磁共振功能成像及機器學習在ACL 損傷輔助診斷中也逐漸嶄露頭角。李培等[24]發(fā)現(xiàn)磁共振擴散張量成像可以反映ACL 損傷的程度,為ACL 損傷提供微觀結(jié)構(gòu)變化的影像診斷依據(jù)。機器學習通過對ACL 損傷建立決策支持模型,為醫(yī)生對ACL 損傷的診斷提供參考[25]。MRI 在ACLR 術(shù)前和術(shù)后同樣發(fā)揮著重要的作用。重建術(shù)骨道、移植物尺寸和移植物成熟度的評估可以通過MRI 完成。GRASSO等[26]利用高分辨率MRI 對術(shù)中骨道進行數(shù)字化處理并與三維CT結(jié)果進行對比,結(jié)果無顯著差異,這表明了高分辨率MRI 評估重建術(shù)骨道位置的可靠性。ZAKKO等[27]用MRI 進行術(shù)前腘繩肌腱直徑截面測量,其結(jié)果和術(shù)中移植物直徑具有高度相關(guān)性,這表明MRI 準確測量可用于術(shù)前協(xié)助患者進行適當?shù)囊浦策x擇。MRI 移植物的信噪比被認為可以作為評價移植物成熟度的指標[28]。然而,盡管這些研究具有臨床意義,但在臨床工作中仍未得到普遍應用。

4 ACL損傷的治療

ACLR 可以預防膝關(guān)節(jié)繼發(fā)軟骨、半月板等結(jié)構(gòu)的損傷,提高ACL 損傷膝關(guān)節(jié)的運動水平,是目前治療ACL 損傷的主要方法,但ACL 損傷后是否進行手術(shù)治療受患者的年齡、膝關(guān)節(jié)其他結(jié)構(gòu)合并損傷情況、運動水平及期望值等多種因素決定,且ACLR 后手術(shù)失效和術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生并不罕見[3,29]。在 ACLR 中,移植物的選擇、移植物直徑及大小、骨隧道的定位等是ACLR 成功的關(guān)鍵。目前,ACLR 的移植物包括自體肌腱、同種異體肌腱和人工韌帶3種主要類型,但移植物的選擇仍是當今的研究熱門以及爭議點所在。我國現(xiàn)階段臨床最常用的移植物是自體肌腱[30]。骨-髕腱-骨作為曾經(jīng)的“金標準”,具有骨-骨愈合程度良好、韌帶抗牽拉能力強、術(shù)后松弛和斷裂率低等優(yōu)點;但也因其伸膝力量受損、膝前痛及增加髕骨骨折、髕腱斷裂、髕股骨性關(guān)節(jié)炎風險等顯著缺點,近些年來使用率逐漸降低。所以,盡管自體腘繩肌腱作為純軟組織結(jié)構(gòu)在移植后腱骨愈合的情況不理想,但其目前仍然是應用最廣泛的自體移植物來源。同種異體肌腱因排斥反應、組織來源可靠性、質(zhì)量與強度衰減、疾病傳播等風險,10 年失敗率較高,因此使用逐漸減少。人工韌帶中,韌帶先進增強裝置(LARS)人工韌帶具有模仿人體韌帶的解剖結(jié)構(gòu)和較強的抗疲勞強度,短期可以獲得較好的臨床效果。我國的一項多中心研究顯示,LARS-ACLR的遠期累積失敗率為4.5%,低于采用自體移植物和異體移植物的同類手術(shù)[31]。同樣,LARS 也存在著固定物松動、組織相容性較差等缺點。為了彌補以上不足,臨床上有學者將自體韌帶材料和LARS 人工韌帶材料相結(jié)合進行ACL重建,而其遠期效果有待進一步探究[32]。先前的一項研究認為,當移植物直徑增加至 7～10 mm 時,直徑越大其膝關(guān)節(jié)恢復功能越好、并發(fā)癥越少;而羅學輝等[30]的臨床試驗顯示,重建移植物直徑在 7～9 mm 時,ACL重建移植物直徑越大,關(guān)節(jié)穩(wěn)定性越好[33];而重建移植物直徑為8 mm可獲得更好的關(guān)節(jié)功能評分,這表明移植物直徑大小變化與關(guān)節(jié)功能評分并不呈現(xiàn)正相關(guān)的變化?？赡苁请S著移植物直徑的增大,前后交叉韌帶相互干涉影響嚴重,產(chǎn)生病理性撞擊,從而反過來影響膝關(guān)節(jié)的正常功能。

骨道位置不準確會導致移植物承受過大張力或與膝后交叉韌帶產(chǎn)生撞擊,是重建手術(shù)失敗的最主要原因[1]。傳統(tǒng)手術(shù)定位主要是靠經(jīng)驗定位,更容易造成骨隧道位置不準確,從而增大手術(shù)失敗風險。而 3D 打印和計算機導航等人工智能技術(shù)的出現(xiàn)可為 ACL 重建提供骨隧道更精準的定位。NI等[34]通過 3D 打印導板技術(shù)對 20 具尸體進行 CT 掃描,術(shù)前定位股骨及脛骨的解剖止點,將實際鉆孔點與術(shù)前定位點進行統(tǒng)計學分析,發(fā)現(xiàn)股骨隧道平均偏差 0.57 mm,脛骨隧道平均等偏差 0.58 mm;LIU等[35]將該技術(shù)運用于患者 ACLR,進一步驗證了 3D 打印導板技術(shù)能提高 ACL 重建隧道位置的準確性。張麗等[36]的研究說明了在 ACLR 中運用計算機導航技術(shù)輔助定位可獲得滿意的療效。此外,ACL 重建患者的預后與轉(zhuǎn)歸和移植物韌帶的腱骨愈合密切相關(guān);且ACL 損傷后下肢力量減弱、本體感覺的缺失會使膝關(guān)節(jié)對神經(jīng)肌肉的控制能力下降,影響膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性,增加再次損傷和骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生的風險。因此,通過利用生物因子、適當采用保殘重建或增加物理刺激、制訂合理的康復計劃來加強或促進ACL重建后的腱骨愈合及患肢功能的恢復也成為了研究的熱點[2,29,37]。因此,可以利用影像學及生物力學研究等手段對ACL 損傷程度進行更精確的量化評估,為治療方案的選擇及手術(shù)、康復方案的合理制訂提供依據(jù),以恢復和提高患者膝關(guān)節(jié)運動功能。

5 小 結(jié)

ACL 損傷是常見的膝關(guān)節(jié)損傷,如何有效預防和診療ACL 損傷是臨床工作中一直關(guān)注的問題。在ACL 解剖、股脛關(guān)節(jié)解剖危險因素、影像學診斷等方面的研究依然存在不足,如何為患者提供最有效適宜的治療也尚在探索中。ACL 損傷的科學防治離不開對ACL 損傷解剖危險因素的評估和ACL 損傷程度的識別,也離不開相應科學手段的支撐。利用影像學手段精確診斷ACL 損傷程度,識別并建立ACL 損傷危險因素干預標準,提供規(guī)范化、個性化的預防和治療是未來應該努力的方向。