MRI評(píng)價(jià)前交叉韌帶重建術(shù)后移植物成熟度的研究進(jìn)展

王博 潘詩(shī)農(nóng)*

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）是穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)的重要結(jié)構(gòu)，其損傷在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中最常見(jiàn)，采用肌腱進(jìn)行移植的重建手術(shù)是目前常規(guī)治療方法,病人接受ACL重建手術(shù)后能及早康復(fù)和重返運(yùn)動(dòng)是手術(shù)成功的標(biāo)志，而過(guò)早地運(yùn)動(dòng)及提高體力工作強(qiáng)度會(huì)增加再受傷的風(fēng)險(xiǎn)。移植物的愈合過(guò)程是因人而異的，有部分病人在術(shù)后2年仍然無(wú)法完全恢復(fù)ACL的力學(xué)負(fù)荷要求[1]。由于缺乏統(tǒng)一、定量、無(wú)創(chuàng)的評(píng)估指標(biāo)，目前移植物成熟度主要根據(jù)手術(shù)時(shí)間進(jìn)行估算，但這難以精確地評(píng)價(jià)每例病人的愈合程度。采用MRI評(píng)價(jià)移植物成熟度是近年研究的熱點(diǎn)，因此本文針對(duì)該方面的研究進(jìn)展予以綜述。

1 移植物成熟的組織學(xué)機(jī)制

在ACL重建術(shù)后，原有的ACL被游離的肌腱移植物所替代，移植物愈合有2個(gè)主要過(guò)程，分別為移植物與骨隧道的“肌腱-骨愈合”和關(guān)節(jié)內(nèi)移植物的“韌帶化”。移植物的“韌帶化”一般可以分為3個(gè)階段[2]：①早期炎癥階段,指術(shù)后前4周，移植物出現(xiàn)中心壞死、細(xì)胞數(shù)目減少，周邊的關(guān)節(jié)液、ACL殘端及來(lái)自孔道的骨髓成分細(xì)胞大量流入移植物的周?chē)＂谘\(yùn)重建階段,ACL重建術(shù)后4～12周，移植物壞死導(dǎo)致生長(zhǎng)因子釋放，刺激細(xì)胞的活性變化、細(xì)胞外基質(zhì)合成和血運(yùn)重建。肌成纖維細(xì)胞數(shù)量增加，提供后期韌帶化階段所需的原位張力[3]。由于膠原結(jié)構(gòu)和卷曲模式的改變及膠原纖維的密度減低，移植物在6～8周時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度最弱。③后期重塑階段，指ACL重建術(shù)12周以后，細(xì)胞數(shù)量及血供在3～12個(gè)月間緩慢恢復(fù)。經(jīng)歷一系列未知的生理變化后，移植物完全成熟，已達(dá)到完整ACL的形態(tài)和機(jī)械強(qiáng)度，即“韌帶化”。在光學(xué)顯微鏡下，無(wú)法從外觀鑒別成熟的移植物和正常的ACL，但在電子顯微鏡下，從超微結(jié)構(gòu)水平上移植物顯示出典型的大直徑膠原纖維的缺失，大部分膠原纖維直徑＜50 nm，從而導(dǎo)致小直徑膠原纖維的單峰分布，而非正常ACL的雙峰混合分布模式；經(jīng)過(guò)術(shù)后2年該超微結(jié)構(gòu)不再發(fā)生明顯變化[4]。完整ACL膠原纖維的直徑不均一性永遠(yuǎn)無(wú)法恢復(fù)。移植物在體內(nèi)完全成熟所需的最短時(shí)間尚不明確，目前也缺乏判斷移植物完全成熟的客觀指標(biāo)。

2 MRI對(duì)評(píng)價(jià)移植物成熟度的應(yīng)用價(jià)值

2.1 常規(guī)MRI分析 以往動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究[5]表明，MRI有助于預(yù)測(cè)ACL重建術(shù)后移植物的生物力學(xué)及組織學(xué)特性，MRI信號(hào)強(qiáng)度（signal intensity，SI）的測(cè)量也越來(lái)越多地應(yīng)用于臨床研究，測(cè)量SI方法主要應(yīng)用于質(zhì)子密度加權(quán)像 (proton density weighted image,PDWI)及 T2WI。 Howell等[6]首次提出 MRI分級(jí)系統(tǒng)，將ACL重建術(shù)后移植物測(cè)得的信號(hào)分為低、中、高，其中SI越低，ACL移植物的成熟度越高。有研究[7-9]顯示，在術(shù)后6個(gè)月時(shí)移植物SI達(dá)到峰值，隨后逐漸下降；但由于SI的高低受MRI采集參數(shù)、掃描設(shè)備特性及病人位置等因素的影響，SI不能對(duì)生物的組織特性進(jìn)行絕對(duì)量化。為了對(duì)移植物的SI灰度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，多數(shù)研究[7,9-10]使用信噪比（signal-to-noise quotient，SNQ）進(jìn)行測(cè)量，具體計(jì)算公式為 SNQ＝（SI移植物-SI股四頭肌肌腱）/SI背景噪聲；亦可以為 SNQ＝（SI移植物-SI后交叉韌帶）/SI背景噪聲[8,11]。 值得注意的是，傳統(tǒng)上使用單個(gè)圖像測(cè)量單獨(dú)信號(hào)和噪聲確定SNQ的方法通常存在偏差，因?yàn)樵肼暤姆植加煽臻g不斷變化的幾何因素決定，并受線(xiàn)圈幾何形狀及加速度因素等參數(shù)的影響，背景噪聲興趣區(qū)（ROI）位置的選取也會(huì)影響SNQ。因此，應(yīng)在多線(xiàn)圈多通道并行采集下，使用基于2次重復(fù)采集的圖像差分法來(lái)消除環(huán)境的影響，以降低偏差[12]。另外，目前的研究大多使用背景噪聲的平均值來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化移植物的信號(hào)，但Den Dekker等[13]建議使用背景噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)槠鋽?shù)值的穩(wěn)定性更高。除了測(cè)量 SNQ，另有研究者[14-15]通過(guò)計(jì)算 SI移植物與 SI后交叉韌帶的比值以及計(jì)算SI移植物與SI股骨骨皮質(zhì)的比值的方法來(lái)評(píng)價(jià)移植物的成熟度。

在應(yīng)用SI測(cè)量時(shí)還應(yīng)注意MRI“魔角效應(yīng)”（magic angle effect，MAE）的影響，MAE 通常出現(xiàn)在肌腱和韌帶等富含高度有序的膠原結(jié)構(gòu)中，當(dāng)其走行方向與磁場(chǎng)方向夾角約55°時(shí)，T2WI信號(hào)增高；當(dāng)兩者方向平行時(shí)，SI減小[16]；而且在短回波時(shí)間（TE）成像時(shí)，能夠觀察到MAE的角度范圍增大。Chen等[8]與Sim等[14]都對(duì)移植物彎曲角度與移植物成熟度間的相關(guān)性進(jìn)行研究，所得到的結(jié)果不同，這可能說(shuō)明在掃描過(guò)程中不同的移植物可能因?yàn)槠洳煌慕嵌劝l(fā)生MAE，從而影響研究結(jié)果。另外，采用常規(guī)MRI序列進(jìn)行的影像分析缺乏足夠短的TE，無(wú)法檢測(cè)出反映移植物膠原結(jié)構(gòu)的膠原相關(guān)水信號(hào)，這些研究可能受移植物成熟過(guò)程中移植物周?chē)苄纬傻挠绊戄^大[17]。

常規(guī)MRI較少應(yīng)用于ACL重建術(shù)后的臨床功能監(jiān)測(cè)及預(yù)后預(yù)測(cè)，目前尚未發(fā)現(xiàn)移植物T2WI的SI可以應(yīng)用于預(yù)后的報(bào)道，只有Biercevicz等[15]研究認(rèn)為使用梯度回波成像T1WI-3D序列測(cè)得的移植物體積結(jié)合SI的中位數(shù)可以預(yù)測(cè)術(shù)后病人3年及5年的生活質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)功能及膝關(guān)節(jié)松弛、疼痛等預(yù)后情況。

2.2 MRI定量和半定量分析 與常規(guī)MRI相比，MRI定量分析方法可以量化組織的弛豫時(shí)間，并受圖像采集參數(shù)變化的影響較小，可重復(fù)性較高。

2.2.1 T2*mapping T2*值可通過(guò)測(cè)量質(zhì)子的自旋-自旋作用反映膠原結(jié)合程度及膠原纖維排列方式，可以反映膠原組織、水合作用和局部磁環(huán)境的組織特性。Biercevicz等[5]進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)韌帶體積及其T2*值直方圖將每個(gè)愈合中的韌帶體素分為4個(gè)由特定T2*值間隔的子體素，發(fā)現(xiàn)ACL橫斷術(shù)后52周時(shí)韌帶的T2*值與韌帶子體素的線(xiàn)性組合可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)韌帶的最大載荷、屈服負(fù)荷和線(xiàn)性剛度3種力學(xué)特性，并發(fā)現(xiàn)短T2*值（0～12.5 ms）的子體素在預(yù)測(cè)力學(xué)特性方面最為重要。在此基礎(chǔ)上，有研究者[18]進(jìn)行了基于多元回歸模型的6、12及24周縱向研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)合愈合時(shí)間及短T2*值 （0～12.5 ms）及長(zhǎng) T2* 值（37.6～50 ms）的子體素變化模型能更好地預(yù)測(cè)愈合過(guò)程中的力學(xué)特性，其中長(zhǎng)T2*值（37.6～50 ms）的子體素在愈合早期尤為重要。這也表明膠原的有無(wú)組織性、數(shù)量及數(shù)量隨時(shí)間的變化均是預(yù)測(cè)ACL愈合的力學(xué)特性的必要因素。但是已有研究[19]證實(shí)人體移植物韌帶化速度較動(dòng)物慢，此模型能否應(yīng)用于人體移植物愈合仍然未知。

2.2.2 超短回波時(shí)間（ultrashort echo time，UTE）成像序列 回波時(shí)間＜1 ms的UTE成像是一種新的定量成像技術(shù)，應(yīng)用半射頻脈沖、放射狀K空間填充、短矩形硬激發(fā)脈沖和數(shù)據(jù)三維放射狀采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D-UTE序列。以往的UTE-T2*研究[17]表明，它對(duì)膠原基質(zhì)的完整性和組織結(jié)構(gòu)敏感，特別在關(guān)節(jié)軟骨的深部及半月板等致密規(guī)則的結(jié)締組織中可發(fā)現(xiàn)大量的短T2*信號(hào)，這些組織中的UTE-T2*值通常隨著退化程度的增加而升高[20]。Chu等[21]研究發(fā)現(xiàn)，UTE-T2*和T2*值在ACL重建術(shù)后6周時(shí)低于未損傷的ACL，于6個(gè)月內(nèi)持續(xù)升高，并達(dá)到正常ACL水平，在6個(gè)月至1年中穩(wěn)定，在術(shù)后1～2年明顯下降，這與已知的ACL移植物組織學(xué)階段對(duì)應(yīng)。T2*升高階段可能代表移植物的膠原基質(zhì)紊亂。隨著膠原組織的成熟，緊密的結(jié)合水的比例增加，UTE-T2*和T2*值出現(xiàn)降低階段，在穩(wěn)定期中2個(gè)過(guò)程同時(shí)存在。UTE-T2*和T2*值可能是一種可靠的評(píng)價(jià)移植物成熟度的無(wú)創(chuàng)成像指標(biāo)。但是，雙指數(shù)模型UTE掃描時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，尤其在需要多重復(fù)時(shí)間掃描時(shí)，病人往往難以忍受。近期Fukuda等[22]提出一種簡(jiǎn)化定量UTE范式，通過(guò)半正弦射頻脈沖激勵(lì)、減少沿層面選擇方向的視野來(lái)減少沿K空間Z軸方向獲取的視圖數(shù)量，使MRI采集總時(shí)間少于8min，并發(fā)現(xiàn)可在此基礎(chǔ)上通過(guò)計(jì)算移植物的快速衰變成分 T2* 值（T2*for fast decay component，T2S*）和結(jié)合水信號(hào)分?jǐn)?shù)（bound water signal fraction，fbw）來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估成熟度，該研究還發(fā)現(xiàn)在骨隧道內(nèi)部移植物的T2S*及fbw在術(shù)后3～6個(gè)月增加，這種變化在關(guān)節(jié)內(nèi)移植物中未觀察到，可能表明骨隧道內(nèi)與關(guān)節(jié)內(nèi)的移植物存在不同的成熟過(guò)程，尚需要進(jìn)一步研究。

2.2.3 擴(kuò)散張量成像（DTI） 基于MRI的DTI可以監(jiān)測(cè)水分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而無(wú)創(chuàng)地顯示組織的微觀結(jié)構(gòu)，常用評(píng)價(jià)參數(shù)有部分各向異性分?jǐn)?shù)（FA）、平均擴(kuò)散率（MD）等。在肌腱和韌帶上應(yīng)用DTI技術(shù)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@些組織的體積較小、T2值短，而且膝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)引起磁場(chǎng)B0的變化，進(jìn)而產(chǎn)生磁敏感偽影，影響影像質(zhì)量，特別在髁間窩及ACL的嵌入部分[23]。Yang等[24]和van Dyck等[25]的研究均表明應(yīng)用3D纖維束成像進(jìn)行DTI檢查可以穩(wěn)定地評(píng)價(jià)移植物的成熟度，但2項(xiàng)研究對(duì)于移植物的平均FA值和MD值測(cè)量結(jié)果有差異，可能是由于2項(xiàng)研究選取ACL重建術(shù)后時(shí)間不同，也可能是由于2項(xiàng)研究使用的MRI設(shè)備及參數(shù)不同，這在一定程度上反映了移植物不同成熟階段的某種真實(shí)差異。對(duì)于韌帶和肌腱的最佳DTI參數(shù)如b值、擴(kuò)散加權(quán)采集的數(shù)量及方向的選擇目前仍存在爭(zhēng)議。van Dyck等[25]建議采用更強(qiáng)大的梯度系統(tǒng)[梯度場(chǎng)強(qiáng) 80 mT/m，梯度切換率 200 T/（m·s）]、較短TE（45 ms）進(jìn)行ACL重建后的采集，這不僅能夠提高SNQ而且減少了磁敏感偽影，但同時(shí)也帶來(lái)了一些技術(shù)挑戰(zhàn)。

2.2.4 T1ρmapping 有研究[26]表明 T1ρ值對(duì)蛋白多糖含量的變化敏感，目前在骨肌系統(tǒng)中大多數(shù)應(yīng)用于軟骨，特別適用于早期退變。在術(shù)后3～6個(gè)月移植物表面滑膜出現(xiàn)微血管的廣泛覆蓋，這可能掩蓋移植物肌腱部分的信號(hào)，采用PDWI序列觀察可能會(huì)受此影響。而采用T1ρ序列的彩色編碼圖像可以分離周?chē)そM織，較容易地將ROI設(shè)置在ACL的前內(nèi)束與后外束的純肌腱部分。近期有研究[27-28]發(fā)現(xiàn)，移植物T1ρ值和T2值在術(shù)后1年內(nèi)逐漸降低，而且T1ρ值的變化趨勢(shì)比T2值更加突出和一致。術(shù)后2年的測(cè)量值與多個(gè)膝關(guān)節(jié)損傷及骨關(guān)節(jié)炎評(píng)分 （the knee injury and osteoarthritis score，KOOS）指標(biāo)相關(guān)，T1ρmapping有潛力成為特定的康復(fù)治療指標(biāo)之一，但2項(xiàng)研究的樣本量均較少，尚需大樣本的研究證實(shí)。

2.2.5 動(dòng)態(tài)增強(qiáng)磁共振成像 （DCE-MRI） 多項(xiàng)研究[29-31]采用對(duì)比劑Gd-DTPA進(jìn)行DCE-MRI掃描，增強(qiáng)MRI更針對(duì)血運(yùn)情況，是評(píng)估ACL重建術(shù)后移植物血運(yùn)重建進(jìn)展的有效方法。Muramatsu等[29]研究表明，利用DCE-MRI得到的同種異體移植物血運(yùn)重建較自體肌腱血運(yùn)重建要慢。Ntoulia等[31]的定量分析發(fā)現(xiàn)，在術(shù)后6個(gè)月，關(guān)節(jié)內(nèi)移植物及其周?chē)母谎芙M織區(qū)域組織出現(xiàn)的強(qiáng)化程度最顯著、強(qiáng)化橫斷面范圍最大，隨后這2項(xiàng)參數(shù)值逐漸降低，整個(gè)變化過(guò)程與時(shí)間變化密切相關(guān)；而且對(duì)于骨隧道兩端的移植物而言此過(guò)程進(jìn)行較緩慢，2項(xiàng)參數(shù)的峰值出現(xiàn)在術(shù)后1年。Ntoulia等還發(fā)現(xiàn)在不同周?chē)h(huán)境中，各組織會(huì)對(duì)移植物的血運(yùn)重建產(chǎn)生不同影響。增強(qiáng)MRI可能在觀察移植物周邊供血微環(huán)境、不同移植物選擇影響血運(yùn)重建方式等方面具有更大的價(jià)值。

3 小結(jié)

綜上所述，MRI是ACL重建術(shù)后的重要檢查方法。近年MRI不同序列、不同成像方法及不同的分析方法提供了多種方式來(lái)分析移植物的解剖位置、韌帶化程度、血運(yùn)重建程度、力學(xué)特性及預(yù)后，通過(guò)使用不同的MRI技術(shù)對(duì)移植物的成熟過(guò)程有了一些新的理解，如移植物周邊微環(huán)境的影響及關(guān)節(jié)內(nèi)與骨隧道內(nèi)部移植物的成熟過(guò)程不同步等；但大多數(shù)研究主要針對(duì)單一技術(shù)，缺乏對(duì)各種技術(shù)的全面比較及評(píng)價(jià)，缺乏特定技術(shù)的最佳掃描參數(shù)。隨著研究的進(jìn)一步深入，MRI在ACL重建的治療及康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)中將起到更重要的作用。