前交叉韌帶磁共振信號表現(xiàn)測量方式的可靠性分析

趙盈綺 錢驛 賀忱 高奉 果森 崔凱茵 朱婷 鞏亞偉 劉壯付一峰 李磊 孫婧怡 周敬濱

1 國家體育總局運動醫(yī)學(xué)研究所（北京 100061）2 國家體育總局體育科學(xué)研究所 3 上海體育大學(xué)運動科學(xué)學(xué)院 4 濱州醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)院 5 國家體育總局運動創(chuàng)傷與康復(fù)重點實驗室 6 成都體育學(xué)院

前交叉韌帶重建（anterior cruciate ligament reconstruction，ACLR）的目的在于恢復(fù)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，并幫助患者重返運動[1]。ACLR術(shù)后移植物的成熟過程稱為“韌帶化”[2]。韌帶化過程影響移植物生物力學(xué)特性，機械強度改變，與再斷裂風(fēng)險相關(guān)[3]。因此，在重返運動之前評估ACL 移植物成熟度具有十分重要的臨床意義。20 世紀(jì)90 年代，Howell 等[4]首次將磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）信號表現(xiàn)用于評價移植物成熟度。迄今為止，MRI 作為一種非侵入性技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域。既往研究表明，較大的移植物體積和MRI 較低的信號強度與高強度、更優(yōu)越的生物力學(xué)特性相關(guān)[5]。

既往研究中，ACL 的MRI 信號強度都需要經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化才能進(jìn)行量化分析。一項系統(tǒng)綜述[6]表明既往研究中標(biāo)準(zhǔn)化的方法不同，如信噪商（the signal/noise quotient，SNQ）和信號強度比（signal intensity ratio，SIR）等，并且參照物選擇差異較大。常見的參照物有背景[7]、后交叉韌帶（posterior cruciate ligament，PCL）[8，9]、股四頭肌肌腱[10]、髕腱和腓腸肌內(nèi)側(cè)頭[11]等。Lutz等[11]在研究中提及背景作為參照物時不同觀察者間得到的結(jié)果差別較大。而以解剖組織為參照物可能受合并損傷、患者身體狀態(tài)等因素的影響[6，12]。

因此，尋找一種相對可靠的移植物信號測量計算方式對于ACL術(shù)后隨訪時移植物評估十分重要。本研究的目的是探究不同測量計算方法分析ACL的MRI信號強度的可靠性，并分析年齡、性別對結(jié)果的影響。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究對2022 年9 月至11 月間就診于本院的膝關(guān)節(jié)損傷患者進(jìn)行回顧性分析。納入標(biāo)準(zhǔn)為：（1）18～50歲；（2）于本院拍攝膝關(guān)節(jié)磁共振成像片。排除標(biāo)準(zhǔn)為：（1）ACL 損傷或ACL 囊腫、退變等患者；（2）PCL 損傷或PCL 囊腫、退變等患者；（3）髕腱炎或其他髕腱損傷患者；（4）腓腸肌肌腱炎或其他腓腸肌損傷患者；（5）病例資料不完整的患者。根據(jù)上述納排標(biāo)準(zhǔn)，共納入患者100例，獲得100組膝關(guān)節(jié)MRI圖片。本研究已獲得醫(yī)院倫理委員會的批準(zhǔn)。

1.2 測量方法

收集所有患者的人口統(tǒng)計學(xué)信息，包括性別和年齡。

患者均進(jìn)行3.0T磁共振檢查，在檢查過程中膝關(guān)節(jié)保持固定，屈曲10°，外旋10°～15°?？焖僮孕夭═2 加權(quán)序列（TR/TE：3000/98 ms；層厚/間隙：4.0/1.0 mm；FOV：16 cm；NEX：2；ETL：14；帶寬：± 31.25 khz/FOV）。在MRI圖像上使用ImageJ軟件（版本1.51j8）測量感興趣區(qū)域（regions of interest，ROI）內(nèi)平均灰度值（圖1）。以直徑為4 mm的圓，測量ACL的3個ROI（遠(yuǎn)端、中部和近端）的平均灰度值。遠(yuǎn)端ROI直徑與脛骨關(guān)節(jié)表面連線相切；中部ROI 遠(yuǎn)端邊緣與髁間切跡水平對齊；近端ROI 和中部ROI 間距與遠(yuǎn)端ROI 和中部ROI之間的間距保持相同[7，11]。5種參照物分別為背景[7]、PCL[8，9]、股四頭肌肌腱[10]、髕腱和腓腸肌內(nèi)側(cè)頭。背景ROI 設(shè)置在ACL 同一張MRI 脛骨結(jié)節(jié)前2 cm 處。PCL的ROI取中部較為寬闊的位置，腓腸肌內(nèi)側(cè)頭ROI保持與PCL 中部水平對齊[11]。髕腱ROI 設(shè)置在距髕骨遠(yuǎn)端2 cm處；股四頭肌肌腱ROI距髕骨近端2 cm處[10][13]。分別將測量的灰度值帶入公式SIR=ACL灰度值/參照物灰度值，得到5種參照物下的SIR[11]。

圖1 MRI圖像上使用ImageJ軟件測量8個感興趣區(qū)（均為直徑4 mm的圓形區(qū)域）的平均灰度值，包括：（1）ACL遠(yuǎn)端；（2）ACL中部；（3）ACL近端；（4）背景；（5）PCL；（6）腓腸肌內(nèi)側(cè)頭；（7）股四頭肌肌腱；（8）髕腱

為評估測量方法一致性，在正式測量之前，從所納入患者中隨機選擇30例患者，由兩位作者在單盲情況下分別進(jìn)行信號強度的測量；2周之后再由其中一位進(jìn)行重復(fù)測量。所有灰度值測量人員均不知道患者的人口統(tǒng)計學(xué)信息和病歷信息。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

收集納入患者基本信息，分類變量用百分比表示，連續(xù)變量以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用雙向隨機效應(yīng)模型計算組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intra-class correlation coefficient，ICC）以評估觀察者重復(fù)測量和觀察者間的一致性。R 值＞0.75 提示一致性較好，R 值在0.75～0.40 之間提示一致性中等，R 值＜0.40 提示一致性較差。以Pearson 相關(guān)分析年齡與5 種測量結(jié)果之間關(guān)系，以獨立樣本t檢驗比較不同性別的SIR。以上所有數(shù)據(jù)的分析處理均在SPSS23.0（IBM 公司，美國）軟件上完成，P＜0.05表示有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般資料

本研究納入患者100 例，平均年齡為38.3±7.9 歲，男性61 例、女性39 例，患側(cè)左52 例、右48 例。結(jié)果顯示，所有方式的測量計算結(jié)果中，ACL 的SIR 均呈現(xiàn)遠(yuǎn)端最大（0.93～21.12），近端最?。?.58～13.20）的趨勢（表1）。每種測量計算方式得到的SIR 均不同，其中ACL 相對腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的SIR 最?。?.58～0.93），ACL相對背景的SIR最大（13.20～21.12）。

表1 5種測量方法SIR結(jié)果

2.2 一致性檢驗

對5 種測量方法的一致性檢驗結(jié)果顯示，觀察者自我重復(fù)測量結(jié)果均具有顯著相關(guān)性（P＜0.001），一致性達(dá)到較好的水平（r＞0.75）（表2）。觀察者間測量結(jié)果均具有顯著相關(guān)性（P＜0.001），一致性均達(dá)到中等或較好的水平（r＞0.7）（表3）。

表2 一位觀察者重復(fù)測量兩次SIR的ICC

表3 兩位測量者SIR的ICC

2.3 年齡、性別對SIR的影響

年齡分別與5 種測量結(jié)果做Pearson 相關(guān)性分析，結(jié)果顯示ACL近端相對腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的SIR與年齡顯著相關(guān)（P＜0.05，r=0.27），其余結(jié)果均不受年齡影響（表4）。根據(jù)性別進(jìn)行分組，結(jié)果顯示分別以背景、股四頭肌肌腱、髕腱和腓腸肌內(nèi)側(cè)頭為參照物時，女性ACL的SIR均顯著小于男性（P＜0.05）（表5）。以PCL為參照物時，男性和女性的結(jié)果之間無顯著差異。

表4 年齡與5種測量方法結(jié)果（SIR）Pearson相關(guān)性

表5 5種測量方法結(jié)果（SIR）不同性別之間的差異比較

3 討論

本研究最主要的發(fā)現(xiàn)是：5種測量方式均有中等至較好的一致性表現(xiàn)，但僅以PCL 為參照物的測量方式得到的SIR 結(jié)果既不受年齡影響，也不受性別的影響。MRI能夠通過測定組織含水量間接評估移植物韌帶化的組織學(xué)變化。早期，Howell 等[4]以低、中、高的MRI的SI分級來定性評估移植物成熟度。分級法簡單易行，但不能精確反映移植物變化進(jìn)程。越來越多的研究[9，14]使用ImageJ等軟件測量ROI的灰度值，用相對灰度值來定量分析ACL 的信號強度變化。以PCL、髕腱、股四頭肌肌腱、腓腸肌這些解剖結(jié)構(gòu)為參考的計算方式，可能受到患者狀態(tài)或潛在合并損傷的影響[11]。另一方面，隨著多線圈技術(shù)的普及，MRI背景噪聲分布較單線圈技術(shù)相比更復(fù)雜，在空間上分布不均勻，背景ROI 的選取位置也會影響SIR 的結(jié)果[15]。但本研究以ACL正常的患者為對象，發(fā)現(xiàn)5種測量方式均有較好的一致性表現(xiàn)。這與部分ACL重建術(shù)后的移植物的觀察研究的結(jié)果一致[11，16，17]。

本研究中，原生ACL 相對于PCL 的SIR 為2.1～3.4，大于相對于腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的SIR，后者為0.6～0.9，與Lutz等[11]研究結(jié)果接近，其研究結(jié)果中，原生ACL相對于PCL 的SIR 為2.6～3.4、相對于腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的SIR 為0.4～0.6。本研究還發(fā)現(xiàn)，所有方法測量得到的SIR 均呈現(xiàn)遠(yuǎn)端最大、近端最小的趨勢。這一點也與Lutz等的研究結(jié)果相似。其發(fā)現(xiàn)原生ACL的遠(yuǎn)端在T2信號最大。Tashiro等的術(shù)后隨訪研究結(jié)果顯示[7，17-19]，ACL移植物的信號呈現(xiàn)由遠(yuǎn)端到近端灰度值逐漸增大的趨勢。這種現(xiàn)象與ACL 近端血供相對豐富、術(shù)后股骨隧道入口處轉(zhuǎn)角較大、纖維排列相對紊亂和松散等有關(guān)[7，18，20]。這也提示ACL 損傷和再損傷容易發(fā)生在近端。

本研究分析發(fā)現(xiàn)，5 種測量方式中，僅以PCL 為參考的測量方式得到的SIR 結(jié)果既不受年齡影響，也不受性別的影響。與Aitchison 等[21]結(jié)論相似，該研究以PCL為參照物時計算ACL移植物SIR的結(jié)果不受年齡、性別影響。而另外4 種參照物均受性別影響，且女性平均SIR 較男性低。造成男女ACL 的SIR 不同的原因可能與ACL的組織學(xué)結(jié)構(gòu)差別有關(guān)。既往大量研究顯示，前交叉韌帶損傷發(fā)生率的性別差異從青春期開始就很明顯，引起這種性別差異的機制與多種因素有關(guān)，包括激素、解剖和生物力學(xué)因素等[22]。5種測量方式雖均有良好的一致性表現(xiàn)，但需要注意的是，應(yīng)用髕腱、股四頭肌肌腱或背景為參照物時，觀察對象組間的性別差異可能干擾ACL的MRI信號比較結(jié)果。應(yīng)用腓腸肌內(nèi)側(cè)頭為參照物時，觀察對象組間年齡和性別差異均可能干擾ACL的MRI信號比較結(jié)果。

本研究存在以下局限性：1.本研究參考Lutz等[11]的研究，選擇以ACL的遠(yuǎn)端、中部和近端處直徑4 mm的圓作為ROI 以測量平均灰度值，但并未比較以ACL 整體作為ROI 以測量平均灰度值的結(jié)果。部分ACL 的MRI 信號觀察分析研究認(rèn)為選擇把ACL 整體作為ROI進(jìn)行測量的方式，可以觀察ACL 整體信號變化[23]。但這種方法容易受到MRI斷層圖像截取位置和角度的影響，選取ACL的整體輪廓時可能產(chǎn)生客觀偏倚。此外，對ACL輪廓鑒別時也可能受到包裹ACL的滑膜信號的影響，可能產(chǎn)生主觀偏倚。采用直徑4 mm 的ROI 分析，能基本保證ROI 內(nèi)為ACL 實質(zhì)，且能夠分別觀察ACL遠(yuǎn)端、中部和近端的信號變化。2.本研究僅納入了正常ACL，與ACL 重建術(shù)后的移植物SIR 表現(xiàn)不同[11]。未來需要對ACL重建術(shù)后的MRI信號表現(xiàn)做進(jìn)一步分析。3.本研究僅分析了性別和年齡2 種人口統(tǒng)計學(xué)因素對測量結(jié)果的影響，還可能存在其他未知因素對SIR結(jié)果產(chǎn)生影響，如糖尿病、吸煙、MRI 檢查室空氣濕度等。

4 結(jié)論

5 種前交叉韌帶磁共振信號表現(xiàn)測量方式均有中等到較好的一致性表現(xiàn)。但僅以PCL為參照物的測量方式得到的SIR 結(jié)果既不受年齡影響，也不受性別的影響。