前交叉韌帶股骨止點(diǎn)高密度纖維分布區(qū)的三維磁共振定位研究*

劉 陽 王永健 余家闊

(北京大學(xué)第三醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科 北京大學(xué)第三醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究所膝關(guān)節(jié)外科 運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)關(guān)節(jié)傷病北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)股骨止點(diǎn)的解剖學(xué)和影像學(xué)一直是研究的熱點(diǎn)之一[1～11]。ACL的實(shí)質(zhì)部纖維呈現(xiàn)扁平的條帶狀，主要止點(diǎn)為股骨的直接止點(diǎn)[3，4，6，7，9，12]，是ACL實(shí)質(zhì)部纖維和髁間窩外側(cè)壁直接相連的位置[5，10，11]。韌帶的直接止點(diǎn)對韌帶和骨的力學(xué)傳導(dǎo)具有重要的作用，間接止點(diǎn)的作用相對有限[13，14]。在ACL重建手術(shù)中，一些學(xué)者認(rèn)為將骨道定位在直接止點(diǎn)內(nèi)是合理的，因?yàn)檫@樣能夠使移植物更好地發(fā)揮力學(xué)作用，更好地恢復(fù)關(guān)節(jié)的生物力學(xué)環(huán)境[3]。然而，ACL的股骨直接止點(diǎn)的準(zhǔn)確位置尚不明確。本研究的目的是通過對正常膝關(guān)節(jié)的三維磁共振(magnetic resonance,MR)和重建的分析探討ACL股骨直接止點(diǎn)的解剖特點(diǎn)和準(zhǔn)確位置。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究期望得到ACL股骨直接高度的位置特點(diǎn)，采用直接止點(diǎn)高度占髁間窩總高的百分比作為測量指標(biāo)。根據(jù)既往手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)健康關(guān)節(jié)該高度的比值約為25%，研究期望最終得到的可信區(qū)間上下限間距不超過2%，將這些數(shù)據(jù)錄入PASS 14 軟件(v.14.0.15)，使用單個(gè)樣本可信區(qū)間的樣本量估算方法，區(qū)間大小設(shè)為95%CI，由軟件計(jì)算得出需要至少7組MR影像的信息。考慮到前期估算的不確定性，以及樣本獲取成本較低、風(fēng)險(xiǎn)較低，本研究在此基礎(chǔ)上適當(dāng)擴(kuò)大樣本量，完成約20例MR影像圖像測量，招募20名中青年健康志愿者，男女各10名，年齡(34.5±7.8)歲(25～49歲)，其中≤29歲7位，30～39歲7位，≥40歲6位。所有志愿者既往無膝關(guān)節(jié)相關(guān)疾病、外傷史或手術(shù)史。

1.2 方法

對志愿者的單膝關(guān)節(jié)進(jìn)行三維MR掃描，得到20組MR影像(10位男性志愿者中5組左膝、5組右膝，10名女性志愿者中5組左膝、5組右膝)。MR掃描參數(shù)為層厚1 mm，T2加權(quán)非壓脂像(GE,3.0T SignaHDxt at resolution 512×512 pixels bitmap)。將MR掃描得到的醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和傳輸協(xié)議(Digital Imaging and Communications in Medicine, DICOM)文件導(dǎo)入Mimics軟件(v.15.01，Materialise)，通過MR三維重建得到股骨的髁間窩外側(cè)壁、ACL的股骨止點(diǎn)和股骨外髁軟骨。在屈膝90°時(shí)，本研究使用“高低”和“前后”描述相對的解剖位置(圖1)。在三維重建模型上，將ACL的股骨止點(diǎn)分為高密度和低密度纖維分布區(qū)，對于高密度纖維分布區(qū)，我們參照髁間窩的高度對其位置進(jìn)行分析(圖2)，比較不同性別、年齡段(≤29歲、30～39歲、≥40歲)高密度纖維分布區(qū)位置的差異。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 ACL股骨止點(diǎn)三維MR的高密度和低密度纖維分布區(qū)

在三維MR影像上，ACL的股骨止點(diǎn)可分為高密度和低密度纖維分布區(qū)(圖3)，屈膝90°時(shí)，低密度纖維分布區(qū)位于止點(diǎn)中較低和較偏后的區(qū)域，高密度纖維分布區(qū)位于低密度纖維分布區(qū)和髁間窩頂之間。水平面MR上觀察，高密度纖維分布區(qū)的止點(diǎn)和ACL實(shí)質(zhì)部纖維是一個(gè)整體連續(xù)的結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)部纖維通過高密度纖維分布區(qū)的止點(diǎn)和髁間窩外側(cè)壁相連接，低密度纖維分布區(qū)的止點(diǎn)位于下方，與實(shí)質(zhì)部纖維之間存在一個(gè)夾角(圖4)。

2.2 MR三維重建的結(jié)果

ACL股骨的整體止點(diǎn)呈現(xiàn)橢圓形，位于髁間窩外側(cè)壁一個(gè)相對凹陷的區(qū)域內(nèi)，高密度纖維分布區(qū)前方的骨性突起為住院醫(yī)師嵴，下后方到軟骨緣之間的區(qū)域?yàn)榈兔芏壤w維分布區(qū)，這種位置特點(diǎn)和以往研究得到的直接止點(diǎn)和間接止點(diǎn)位置相符合，因此，高密度和低密度纖維分布區(qū)分別代表直接和間接止點(diǎn)。直接止點(diǎn)位于整體止點(diǎn)偏高的區(qū)域內(nèi)，11例MR三維重建呈現(xiàn)狹長的條帶狀形態(tài)，在另外9例MR三維重建中，條帶狀的前方較寬大，使直接止點(diǎn)呈現(xiàn)三角形，如圖5所示。屈膝90°時(shí)，直接和間接止點(diǎn)呈現(xiàn)接近高低分布的規(guī)律。間接止點(diǎn)位于直接止點(diǎn)的下方，與后方的軟骨緣之間存在一定的距離，兩者不互相延續(xù)。

2.3 直接止點(diǎn)位置的測量

在三維重建模型上測量直接止點(diǎn)的長軸和短軸長度分別為(15.8±2.4)mm(12.41～20.81 mm)和(6.2±1.3)mm(4.07～9.51 mm)。直接止點(diǎn)的位置測量結(jié)果見表1。以髁間窩高度為參考標(biāo)準(zhǔn)，直接止點(diǎn)位于此高度22%～43%。以股骨整體止點(diǎn)的高度為參考標(biāo)準(zhǔn)，直接止點(diǎn)位于上方約50%。直接止點(diǎn)中心的高度均高于后軟骨緣最高點(diǎn)，兩者之間的距離約為(5.68±1.97)mm。以性別分組，男女性志愿者直接止點(diǎn)相對位置(e、f、g)和直接止點(diǎn)中心點(diǎn)到后軟骨緣最高點(diǎn)的距離(a)均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。以年齡段分組，除≤29歲組和≥40歲組g值有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)外，其余各組e、f、g和a值均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。見表1。

3 討論

ACL的股骨止點(diǎn)一直是該領(lǐng)域研究的熱帶之一，重點(diǎn)包括形態(tài)、位置和分束等方面[1,8,15,16]。ACL的股骨止點(diǎn)位于髁間窩外側(cè)壁一個(gè)相對凹陷的區(qū)域內(nèi)，呈現(xiàn)橢圓形[3]。在膝關(guān)節(jié)屈曲90°時(shí)，髁間窩外側(cè)壁ACL股骨止點(diǎn)足跡的前上方通常存在一個(gè)骨嵴，即髁間外側(cè)嵴(lateral intercondylar ridge)，或稱為住院醫(yī)師嵴(resident ridge)，ACL股骨止點(diǎn)向后方、下方延伸至軟骨緣[1,3,7,17]。另外，ACL的股骨止點(diǎn)足跡內(nèi)部有時(shí)還存在束間嵴(bifurcate ridge)，將其分為前內(nèi)和后外2個(gè)部分，在關(guān)節(jié)鏡下進(jìn)行ACL重建時(shí)，可以束間嵴為解剖標(biāo)志輔助定位前內(nèi)束和后外束的股骨骨道位置[1]。

ACL股骨止點(diǎn)足跡的形態(tài)和大體解剖之間的區(qū)別使一些研究發(fā)現(xiàn)股骨止點(diǎn)存在直接和間接止點(diǎn)，組織學(xué)研究進(jìn)一步證實(shí)這一發(fā)現(xiàn)[3～5，7，9，12，11，17]。股骨的直接止點(diǎn)是ACL實(shí)質(zhì)部纖維髁間窩外側(cè)壁直接相連的部分[5，10，11]，呈現(xiàn)致密的結(jié)構(gòu)和條帶狀，與韌帶纖維的形狀相同[5，6，11]。組織結(jié)構(gòu)包括4層：韌帶組織、非鈣化軟骨層、鈣化軟骨層和骨，是一種更加牢固的連接，在韌帶和骨的力學(xué)傳導(dǎo)中其主要作用。也有學(xué)者將非鈣化軟骨層和鈣化軟骨層之間的界面稱為潮線[18]，這樣直接止點(diǎn)的組織結(jié)構(gòu)也可以算是5層。ACL的股骨間接止點(diǎn)是韌帶表面滑膜在髁間窩外側(cè)壁的延伸，呈現(xiàn)膜狀疏松結(jié)構(gòu)和扇子狀[4,5,7]。組織學(xué)上，間接止點(diǎn)的結(jié)構(gòu)包括3層：韌帶組織、Sharpey氏纖維和骨，對于力學(xué)傳導(dǎo)的作用有限[13]。根據(jù)以往對于ACL股骨直接止點(diǎn)的研究，在去除韌帶表面的滑膜和扇子形狀的延伸纖維(間接止點(diǎn))后，直接止點(diǎn)和韌帶的實(shí)質(zhì)部纖維形態(tài)類似，均呈現(xiàn)條帶狀的形狀，解剖參數(shù)(平均長度×平均寬度)可歸納如下：17.4 mm×8 mm[3]、15.2 mm×4.7 mm[5]、17.7 mm×5.3 mm[7]、16 mm×3.54 mm[9]和15.5 mm×5.3 mm[10]，面積可歸納為：(128.3±10.5)mm[2，3]、65 mm[2,5]、56.6 mm[2,9]和56.5 mm[2，10]。對于ACL的股骨直接止點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，Smigielski等[9]研究報(bào)道其與股骨后方骨皮質(zhì)相延續(xù)，呈現(xiàn)相當(dāng)扁平的形狀，其他研究[3，5，7]顯示住院醫(yī)師嵴后方向后方軟骨緣延伸的狹長區(qū)域內(nèi)為直接止點(diǎn)，間接止點(diǎn)位于直接止點(diǎn)和后下方的軟骨緣之間，在某些病例中，間接止點(diǎn)和軟骨緣不互相延續(xù)，兩者之間存在一定的距離[3～5,7]。韌帶的直接止點(diǎn)對韌帶和骨的力學(xué)傳導(dǎo)具有重要的作用，而間接止點(diǎn)的作用相對有限[13，14]，由于ACL的股骨直接止點(diǎn)對膝關(guān)節(jié)的功能起重要作用，一些學(xué)者又稱之為“功能性止點(diǎn)”[6]，將骨道定位在直接止點(diǎn)內(nèi)既符合解剖、也能夠更好地恢復(fù)膝關(guān)節(jié)功能，是更加合理的位置[3]，他們也對股骨骨道的位置做出相應(yīng)的調(diào)整[2，19]。

本研究中，在ACL股骨止點(diǎn)的三維MR上可以觀察到高密度和低密度纖維分布區(qū)，將其分別重建后可以觀察到兩者共同構(gòu)成ACL的股骨止點(diǎn)，呈現(xiàn)橢圓形，位于髁間窩外側(cè)壁一個(gè)相對凹陷的區(qū)域內(nèi)。高密度纖維分布區(qū)前方的骨性突起為住院醫(yī)師嵴，下后方到軟骨緣之間的區(qū)域?yàn)榈兔芏壤w維分布區(qū)，這種位置特點(diǎn)與以往研究得到的直接止點(diǎn)和間接止點(diǎn)位置結(jié)論相符合，因此，高密度和低密度纖維分布區(qū)分別代表了直接和間接止點(diǎn)。在三維重建的模型上測量，高密度纖維分布區(qū)的長軸平均長度為15.8 mm，短軸平均長度為6.2 mm，與以往解剖研究測量得到的數(shù)據(jù)相近[3，5，7，9，10]，進(jìn)一步證實(shí)高密度纖維分布區(qū)代表直接止點(diǎn)。在20例三維MR重建中，直接止點(diǎn)的形態(tài)并不是一致的扁平條帶形狀，其中11例呈現(xiàn)條帶狀，9例呈現(xiàn)前方寬大的三角形。

圖1 屈膝90°下股骨解剖位置關(guān)系示意圖 圖2 ACL股骨止點(diǎn)高密度纖維分布區(qū)域位置的測量示意圖。5條互相平行的水平虛線：藍(lán)色虛線經(jīng)過整體止點(diǎn)的最低點(diǎn)；橙色虛線經(jīng)過blumensaat線和股骨外髁前方軟骨緣的交點(diǎn)；白色虛線經(jīng)過高密度纖維分布區(qū)的最高點(diǎn)；黑色虛線經(jīng)過低密度纖維分布區(qū)的最高點(diǎn)；紅色虛線經(jīng)過后軟骨緣最高點(diǎn)。b、c和d分別代表藍(lán)線和黑線、藍(lán)線和白線、藍(lán)線和橙線之間的距離。e、f和g定義如下：e=b/d，f=c/d，g=b/c。高密度纖維分布區(qū)中心到紅線之間的距離(a)，代表其與后軟骨緣最高點(diǎn)之間的距離圖3 ACL股骨止點(diǎn)的高密度和低密度纖維分布區(qū) 3張連續(xù)的包含股骨髁間窩外側(cè)壁的矢狀位MR影像，整體的止點(diǎn)可以被分為高密度纖維分布區(qū)(黃色虛線內(nèi))和低密度纖維分布區(qū)(紅色虛線內(nèi)) 圖4 3張連續(xù)的水平位MR影像，高密度纖維分布區(qū)的止點(diǎn)和ACL實(shí)質(zhì)部纖維是一個(gè)整體連續(xù)的結(jié)構(gòu)(藍(lán)色虛線內(nèi))，位于下方的低密度纖維分布區(qū)(紅色虛線內(nèi))與實(shí)質(zhì)部纖維之間存在一個(gè)夾角 圖5 ACL股骨直接止點(diǎn)MR重建后的兩類形態(tài)，藍(lán)色、紅色和黃色部分分別代表直接止點(diǎn)、間接止點(diǎn)和股骨外髁的軟骨。在左側(cè)的圖像中，直接止點(diǎn)呈現(xiàn)狹長的條帶狀形態(tài)，共11例；在右側(cè)的圖像中，直接止點(diǎn)呈現(xiàn)前方寬大的三角形，共9例

表1 直接止點(diǎn)的位置測量mm

在明確高密度和低密度纖維分布區(qū)的意義之后，我們對其位置進(jìn)行測量。在膝關(guān)節(jié)屈曲90°時(shí)，直接止點(diǎn)和間接止點(diǎn)在髁間窩外側(cè)壁上呈現(xiàn)接近高低的分布，直接止點(diǎn)在間接止點(diǎn)的上方，其前上邊界為住院醫(yī)師嵴。Nawabi等[20]研究表明，在ACL股骨止點(diǎn)中較高的、接近住院醫(yī)師嵴的部分承擔(dān)更大的受力，對膝關(guān)節(jié)前向穩(wěn)定性具有更大的作用。由于致密止點(diǎn)的位置也在住院醫(yī)師嵴旁，位于整體止點(diǎn)的較高部分，因此,其也承擔(dān)更大的受力，發(fā)揮直接止點(diǎn)的作用，間接進(jìn)一步證實(shí)位于整體止點(diǎn)上方的致密止點(diǎn)代表直接止點(diǎn)。在以往的文獻(xiàn)中，對于直接止點(diǎn)的位置尚沒有準(zhǔn)確的描述，另外，股骨外髁后方的軟骨緣是膝關(guān)節(jié)后方一個(gè)重要的解剖標(biāo)志[21]，但目前尚沒有研究表明其和股骨直接止點(diǎn)的關(guān)系。因此,我們對其進(jìn)行進(jìn)一步測量，其高度具有一定的規(guī)律性：直接止點(diǎn)位于整體止點(diǎn)高度上方約50%，以髁間窩高度為參照，直接止點(diǎn)位于此高度22%～43%。直接止點(diǎn)的中心均高于后軟骨緣最高點(diǎn)，兩者間距離為(5.68±1.97)mm。不同性別直接止點(diǎn)的位置無明顯差異，≤29歲組g值明顯小于≥40歲組，提示與≥40歲組相比，≤29歲組間接止點(diǎn)的高度更少，即直接止點(diǎn)占據(jù)的高度更大，原因可能是隨著年齡的增大，ACL的實(shí)質(zhì)部纖維發(fā)生退變及磨損，相應(yīng)造成直接止點(diǎn)的高度也有所減少，這一結(jié)果尚需更大樣本量的研究進(jìn)一步證實(shí)。

本研究的局限性。由于研究對象是健康的中青年志愿者，我們無法將影像學(xué)結(jié)果和解剖學(xué)研究結(jié)合來直接說明高、低密度纖維分布區(qū)的意義，而是通過與以往研究結(jié)果對比的方法間接得出結(jié)論：①三維重建后高密度纖維分布區(qū)和低密度纖維分布區(qū)的位置；②高密度纖維分布區(qū)的長軸和短軸長度；③高密度纖維分布區(qū)位于低密度纖維分布區(qū)的上方，接近住院醫(yī)師嵴。這也為后續(xù)進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)。

綜上，在三維MR影像上，ACL股骨止點(diǎn)包括高、低密度纖維分布區(qū)，分別代表直接止點(diǎn)和間接止點(diǎn)。直接止點(diǎn)的位置具有以下規(guī)律：①屈膝90°時(shí)，直接止點(diǎn)和間接止點(diǎn)呈現(xiàn)接近高低的分布，直接止點(diǎn)位于整體止點(diǎn)高度的上方約50%；②以髁間窩高度為參照，直接止點(diǎn)位于此高度22%～43%；③直接止點(diǎn)的中心點(diǎn)高于后軟骨緣最高點(diǎn)，兩者之間距離為(5.68±1.97)mm。髁間窩高度、后軟骨緣最高點(diǎn)可用于作為參照標(biāo)志進(jìn)行股骨骨道的定位。