前交叉韌帶損傷重建術(shù)后及隨訪的彌散張量成像觀測(cè)

王長(zhǎng)青， 楊榮麗， 付升旗

1.安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，河南 安陽 455000； 2.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，河南 新鄉(xiāng) 453003

前交叉韌帶損傷是膝關(guān)節(jié)常見病變，可以導(dǎo)致膝 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)失衡、骨關(guān)節(jié)炎、軟骨退變等并發(fā)癥。在關(guān)節(jié)鏡下重建韌帶有助于恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性及生物力學(xué)特性，已成為治療前交叉韌帶損傷的主要手段[1]。對(duì)重建移植物的觀測(cè)是評(píng)價(jià)手術(shù)效果及預(yù)后評(píng)估的重要內(nèi)容，MRI可以較好顯示移植物的二維形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是評(píng)價(jià)前交叉韌帶重建術(shù)后移植物的有效方法，但是根據(jù)MRI信號(hào)強(qiáng)度變化進(jìn)行診斷存在很大的局限性，導(dǎo)致診斷的準(zhǔn)確度、特異度較低[2]。彌散張量成像作為一種定量診斷的影像技術(shù)，國(guó)內(nèi)外已陸續(xù)有報(bào)道應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)或其他軟組織病變中，以及應(yīng)用MRI及彌散張量成像研究前交叉韌帶及其損傷的報(bào)道[3]，而前交叉韌帶損傷重建術(shù)后的彌散張量成像研究較少，尚未見到前交叉韌帶損傷重建術(shù)后的彌散張量成像隨訪觀測(cè)[4,5]。本研究采用彌散張量成像技術(shù)，對(duì)前交叉韌帶移植物重建術(shù)后不同時(shí)期的各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）和表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC），及其與手術(shù)前、正常組進(jìn)行比較，探討重建術(shù)后不同時(shí)期移植物的重塑過程及其與正常組的差異，為臨床醫(yī)師提供預(yù)后評(píng)估的量化依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選取2017年1月至2018年9月期間，因單側(cè)膝關(guān)節(jié)不適到新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院影像科就診采用MRI及彌散張量成像掃描檢查正常者為正常組。納入標(biāo)準(zhǔn)：年齡23～57歲，Lachman試驗(yàn)（-）、抽屜試驗(yàn)（-）、軸移試驗(yàn)（-），無運(yùn)動(dòng)障礙等臨床表現(xiàn)。排除標(biāo)準(zhǔn)：膝關(guān)節(jié)畸形、外傷史、手術(shù)史、職業(yè)運(yùn)動(dòng)員和患有全身性疾病、惡性腫瘤等。共納入100例（100側(cè)），其中男、女性各50例，左側(cè)58例，右側(cè)42例。

選取2017年1月至2018年9月期間，因急性單側(cè)膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶撕裂傷在新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院骨科住院的患者為研究組。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)；（2）Lachman試驗(yàn)（+）、抽屜試驗(yàn)（+）、軸移試驗(yàn)（+）；（3）住院前進(jìn)行MRI及彌散張量成像檢查，前交叉韌帶的連續(xù)性中斷或形態(tài)異常；（4）對(duì)側(cè)膝關(guān)節(jié)及前交叉韌帶正常。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）膝關(guān)節(jié)畸形和有外傷史、手術(shù)史、嚴(yán)重感染史；（2）職業(yè)運(yùn)動(dòng)員；（3）患有全身性疾病、惡性腫瘤等。共納入61例（61側(cè)），其中男性23例，左側(cè)10例，右側(cè)13例；女性38例，左側(cè)16例，右側(cè)22例；年齡22～58歲，平均39.6歲。按照關(guān)節(jié)鏡檢查的“金標(biāo)準(zhǔn)”[6]，前交叉韌帶損傷分為Ⅲ級(jí)36例、Ⅳ級(jí)25例，采取單束自體肌腱重建術(shù)，術(shù)后1周、3個(gè)月對(duì)患者進(jìn)行彌散張量成像檢查，觀察手術(shù)效果；術(shù)后6個(gè)月、1年隨訪檢查，其中有7例患者因特殊原因被從隨訪組中剔除。

本研究獲得新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，并取得檢查者知情同意。

1.2 研究方法

使用Philips公司3.0T MR掃描儀。MRI掃描參數(shù)：PDW-PAIR序列，TE：30 ms，TR：3100 ms，層厚3 mm，層間距0.3 mm，F(xiàn)OV：16 cm×16 cm，矩陣：160×160。彌散張量成像掃描參數(shù)：SE-EPI序列，在32個(gè)方向施加彌散梯度，彌散梯度因子b=400 s/mm2，TR：2470 ms，TE：79 ms，F(xiàn)OV：16 cm×16 cm，矩陣：128×128，層厚2 mm，層間距0。掃描時(shí)間為早晨起床后，避免運(yùn)動(dòng)原因造成韌帶和移植物內(nèi)水分的變化。

將彌散張量成像數(shù)據(jù)輸入圖像后處理工作站，利用工作站內(nèi)的軟件處理系統(tǒng)，對(duì)圖像進(jìn)行背景噪聲處理和矯正，生成FA偽彩圖和ADC圖。在前交叉韌帶損傷、重建處設(shè)置感興趣區(qū)，利用圖像后處理工作站的軟件系統(tǒng)，測(cè)量感興趣區(qū)的FA和ADC。沿韌帶走行方向在前交叉韌帶損傷、重建處及其上端、上中部、中部、下中部、下端設(shè)置感興趣區(qū)，根據(jù)感興趣區(qū)內(nèi)自動(dòng)搜索存在的纖維束，按照最短纖維長(zhǎng)度=10 mm，最大角度=34°，最小FA=0.15，進(jìn)行纖維束生成示蹤成像。為保證各感興趣區(qū)測(cè)量的FA、ADC準(zhǔn)確性，由2名醫(yī)師測(cè)量3次取其平均值。

測(cè)量前交叉韌帶損傷處及正常組相應(yīng)部位和重建術(shù)后1周、3個(gè)月、6個(gè)月、1年的FA和ADC，觀察彌散張量纖維示蹤圖像的變化。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，前交叉韌帶Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)損傷重建處的FA值、ADC值比較采用t檢驗(yàn)，前交叉韌帶損傷重建術(shù)后隨訪等的FA、ADC比較采用方差分析。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1前交叉韌帶損傷重建手術(shù)前后FA和ADC測(cè)量

前交叉韌帶損傷重建術(shù)前、后的FA和ADC測(cè)量值見表1～2。前交叉韌帶損傷Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)重建術(shù)前的FA值和ADC值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；前交叉韌帶損傷Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)重建術(shù)后1周、3個(gè)月的FA值和ADC值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），合并處理得出前交叉韌帶損傷重建術(shù)后1周、3個(gè)月的FA值和ADC值 分 別 為（0.541±0.056）、（0.542±0.058）和（2.263±0.224）×10-3mm2/s、（2.028±0.341）×10-3mm2/s。前交叉韌帶損傷Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)及其合并值的手術(shù)前與手術(shù)后1周、3個(gè)月的FA值和ADC值，其中組間比較前交叉韌帶損傷手術(shù)后1周與3個(gè)月的FA值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），其他組間的FA值、ADC值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。

表1 前交叉韌帶損傷重建手術(shù)前后FA測(cè)量（±s,n=61）Tab.1 The FA values measurement preoperative and postoperative of the anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD,n=61)

表1 前交叉韌帶損傷重建手術(shù)前后FA測(cè)量（±s,n=61）Tab.1 The FA values measurement preoperative and postoperative of the anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD,n=61)

項(xiàng)目ItemⅢ級(jí)ⅢgradeⅣ級(jí)Ⅳgrade合計(jì)Total F P術(shù)前Beforeoperation 0.412±0.044 0.378±0.041 0.395±0.047 1.279 0.041術(shù)后1周1 week after surgery 0.543±0.047 0.540±0.042 0.541±0.056 0.803 0.570術(shù)后3個(gè)月3 monthsafter surgery 0.545±0.046 0.541±0.057 0.542±0.058 0.591 0.886 1.350 1.279 1.452 0.036 0.040 0.029 tP

2.2 前交叉韌帶損傷重建術(shù)后隨訪FA和ADC觀測(cè)

在FA偽彩圖上，前交叉韌帶重建術(shù)后主要呈藍(lán)綠色，顏色分布較均勻，手術(shù)后6個(gè)月與1年的顏色相似。在ADC圖像上，前交叉韌帶重建術(shù)后顯示為灰白色的較高信號(hào)影，手術(shù)后6個(gè)月與1年的信號(hào)強(qiáng)度基本相同。在纖維示蹤圖像上，前交叉韌帶重建術(shù)后的纖維走行完整、連續(xù)，以藍(lán)色纖維為主，自前內(nèi)下方斜向后外上方，手術(shù)后6個(gè)月與1年的纖維顏色及走行相同，見圖1。

圖1 前交叉韌帶損傷重建術(shù)后6個(gè)月隨訪的彌散張量成像圖像（白色箭頭示前交叉韌帶損傷重建處）A：FA偽彩圖B：ADC圖C：纖維示蹤圖像Fig.1 Diffusion tensor images in follow-up after operation of anterior cruciate ligament reconstruction(six months).The white arrow showed the reconstruction position of anterior cruciate ligament injury A:FA falsecolor image;B:ADCimage;C:Tractography image

表2 前交叉韌帶損傷重建手術(shù)前后ADC測(cè)量（±s，×10-3 mm2/s,n=61）Tab.2 The ADC values measurement preoperative and postoperative of the anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD,×10-3 mm2/s,n=61)

表2 前交叉韌帶損傷重建手術(shù)前后ADC測(cè)量（±s，×10-3 mm2/s,n=61）Tab.2 The ADC values measurement preoperative and postoperative of the anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD,×10-3 mm2/s,n=61)

項(xiàng)目ItemⅢ級(jí)ⅢgradeⅣ級(jí)Ⅳgrade合計(jì)Total F P術(shù)前Beforeoperation 2.740±0.253 2.844±0.327 2.791±0.336 1.457 0.046術(shù)后1周1 week after surgery 2.262±0.210 2.265±0.223 2.263±0.224 0.636 0.441術(shù)后3個(gè)月3 monthsafter surgery 2.027±0.230 2.031±0.356 2.028±0.341 0.490 0.716 1.181 1.397 1.511 0.045 0.032 0.029 tP

前交叉韌帶損傷重建術(shù)后隨訪FA和ADC測(cè)量值見表3。前交叉韌帶損傷重建術(shù)后隨訪3個(gè)月、6個(gè)月、1年與正常組的FA值和ADC值，其中組間比較前交叉韌帶損傷重建術(shù)后隨訪6個(gè)月與正常組前交叉韌帶的FA值和術(shù)后隨訪1年與正常組的ADC值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），其他組間的FA值、ADC值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。

表3 前交叉韌帶損傷重建術(shù)后隨訪FA和ADC測(cè)量（±s）Tab.3 The FA values and ADC values measurement in postoperative follow-up of anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD)

表3 前交叉韌帶損傷重建術(shù)后隨訪FA和ADC測(cè)量（±s）Tab.3 The FA values and ADC values measurement in postoperative follow-up of anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD)

項(xiàng)目Item FA ADC(×10-3 mm2/s)術(shù)后3個(gè)月(n=61)3 months after surgery 0.542±0.058 2.028±0.341術(shù)后6個(gè)月(n=54)6 months after surgery 0.595±0.056 1.699±0.175術(shù)后1年(n=54)1 yearsafter surgery 0.684±0.059 1.375±0.151正常組(n=100)Normal group 0.577±0.064 1.324±0.160 F P 0.563 1.380 0.043 0.042

3 討論

3.1 前交叉韌帶損傷重建手術(shù)前后彌散張量成像觀測(cè)

前交叉韌帶撕裂傷后進(jìn)行異體肌腱或韌帶和自體肌腱移植是重建術(shù)常用的移植物，國(guó)內(nèi)外采用的重建材料主要是半腱肌肌腱或股薄肌肌腱[7]。在前交叉韌帶損傷重建術(shù)后，無論采用的是異體肌腱或韌帶還是自體肌腱，移植物在重建過程中要經(jīng)歷4個(gè)階段的病理變化過程：即移植物組織結(jié)構(gòu)的缺血壞死期→血管化期→細(xì)胞增值期→改建成熟期，最終被膠原纖維和成纖維細(xì)胞形成的韌帶樣結(jié)構(gòu)所取代，完成移植物的“韌帶化”過程[8]。

肌腱和韌帶都主要是由Ⅰ型膠原纖維構(gòu)成，兩者屬于同態(tài)非同源結(jié)構(gòu)。肌腱是通過肌肉將力量傳遞到骨，受力方向一致，肌腱的纖維方向也趨向一致；而韌帶需要限制向多個(gè)方向的過度移位，纖維呈多方向排列，一部分前交叉韌帶纖維縱向走行，另一部分呈螺旋狀排列，主要是由于膝關(guān)節(jié)在屈曲伴脛骨內(nèi)旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)旋時(shí)韌帶處于緊張狀態(tài)，伸直位時(shí)韌帶逐漸恢復(fù)松弛，使得螺旋狀排列的纖維束在膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中尤為重要[9～10]。本研究前交叉韌帶損傷Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)重建術(shù)前的FA值、ADC值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能與前交叉韌帶的損傷程度及其間的疏松結(jié)締組織含量有關(guān)，Ⅲ級(jí)損傷的韌帶撕裂部分超過1/2，僅有少量纖維相連，松弛、張力低；而Ⅳ級(jí)損傷的韌帶完全斷裂或僅有包膜包裹，極度松弛、無張力，其間的疏松結(jié)締組織含量較Ⅲ級(jí)損傷明顯增多。本研究前交叉韌帶Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)損傷重建術(shù)后1周、3個(gè)月的FA值與手術(shù)前比較逐漸增高，ADC值則逐漸降低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，手術(shù)前、后FA值和ADC值出現(xiàn)明顯差異可能與所觀測(cè)的材料性質(zhì)有關(guān)，手術(shù)前是損傷的韌帶及其間的疏松結(jié)締組織，手術(shù)后是自身肌腱，且手術(shù)后移植物的纖維方向趨向一致，移植物內(nèi)水分子的彌散運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度逐漸降低。本研究前交叉韌帶損傷重建術(shù)后1周與3個(gè)月的FA值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能與重建術(shù)后移植物的肌腱纖維尚處于缺血壞死期的不穩(wěn)定修復(fù)狀態(tài)有關(guān)。

3.2 前交叉韌帶損傷重建術(shù)后隨訪彌散張量成像觀測(cè)

在前交叉韌帶損傷重建術(shù)后的恢復(fù)期中，由于缺血和纖維化可出現(xiàn)MRI信號(hào)強(qiáng)度異常，如果移植物的纖維結(jié)構(gòu)沒有崩塌，隨著移植物的血液供應(yīng)建立，新生的膠原纖維可以在移植物框架上重新生成一條韌帶，完成韌帶替換過程。重建術(shù)后的移植物以Ⅰ型膠原纖維為主，Ⅲ型膠原纖維逐漸長(zhǎng)入新生組織中，至4個(gè)月時(shí)，Ⅲ型膠原纖維在移植物中呈彌散性分布[11]。王永健等[12]研究認(rèn)為前交叉韌帶重建術(shù)后2個(gè)月的細(xì)胞豐富而膠原纖維排列無序，4個(gè)月的細(xì)胞數(shù)量減少而膠原纖維排列較規(guī)則，6個(gè)月的移植物形態(tài)與正常前交叉韌帶相似，9個(gè)月進(jìn)一步成熟，1年則更加接近正常的前交叉韌帶。本研究前交叉韌帶損傷重建術(shù)后隨訪3個(gè)月的移植物FA值低于正常組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能是這個(gè)時(shí)期移植物肌腱的膠原纖維縱行排列相對(duì)紊亂所導(dǎo)致；重建術(shù)后隨訪6個(gè)月的移植物FA值高于正常組，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能是這個(gè)時(shí)期移植物肌腱的膠原纖維縱行排列相對(duì)變得規(guī)律，接近于正常組前交叉韌帶的纖維關(guān)系，再加上移植物肌腱的受力特點(diǎn)，使移植物肌腱纖維的各向異性稍高于正常組；重建術(shù)后隨訪1年的移植物FA值高于正常組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能是這個(gè)時(shí)期移植物肌腱的膠原纖維已經(jīng)基本完成重構(gòu)，較正常組前交叉韌帶的纖維排列變得更加規(guī)律有序所導(dǎo)致[13]。前交叉韌帶損傷重建術(shù)后隨訪3個(gè)月、6個(gè)月的ADC值高于正常組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能與移植物肌腱纖維正處于缺血壞死期→血管化期的不同重塑時(shí)期有關(guān)；重建術(shù)后隨訪1年的ADC值高于正常組，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能與移植物肌腱正處于細(xì)胞增值期→改建成熟期有關(guān)，基本完成“韌帶化”重塑過程，移植物肌腱內(nèi)的水分子彌散運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度已經(jīng)接近于正常組前交叉韌帶有關(guān)[14]。

在FA偽彩圖上，前交叉韌帶損傷重建術(shù)后隨訪3個(gè)月、6個(gè)月、1年的移植物肌腱纖維以藍(lán)色為主的顏色逐漸均勻，說明重建術(shù)后肌腱纖維沿Z軸方向的排列逐漸規(guī)律；在ADC圖像上，前交叉韌帶損傷重建術(shù)后隨訪3個(gè)月、6個(gè)月、1年的移植物肌腱纖維信號(hào)強(qiáng)度逐漸降低，說明移植物肌腱纖維內(nèi)的水分子彌散運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度在逐漸降低，符合重建術(shù)后移植物逐漸“韌帶化”的生長(zhǎng)規(guī)律[15]。在纖維示蹤圖像上，可以直觀顯示重建術(shù)后移植物的形態(tài)，前交叉韌帶損傷重建術(shù)后隨訪3個(gè)月、6個(gè)月、1年的移植物肌腱纖維與正常前交叉韌帶在形態(tài)、走行、顏色上都基本相似，說明重建術(shù)后移植物的宏觀形態(tài)沒有發(fā)生明顯變化。

綜上所述，彌散張量成像的FA值和ADC值在隨訪評(píng)價(jià)前交叉韌帶損傷重建術(shù)后移植物恢復(fù)情況中具有重要的診斷價(jià)值，纖維示蹤成像可以作為隨訪評(píng)估輔助檢查的影像技術(shù)。