毛光蘭，李培，楊榮麗，付升旗，王慶志

新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 1.第三附屬醫(yī)院康復(fù)科，2.第三附屬醫(yī)院影像科，3.解剖學(xué)教研室，河南 新鄉(xiāng) 453003

前交叉韌帶損傷是常見的膝關(guān)節(jié)病變，可導(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；由于患者損傷后早期出現(xiàn)關(guān)節(jié)腫痛等癥狀，給影像診斷造成一定干擾[1]。MRI是診斷前交叉韌帶損傷的主要影像方法，但根據(jù)MRI信號(hào)強(qiáng)度變化進(jìn)行診斷存在較大的局限性，導(dǎo)致前交叉韌帶部分撕裂傷診斷的準(zhǔn)確度、特異度降低，影響其早期診斷及治療[2]。彌散張量成像作為一種定量的影像診斷技術(shù)，通過參數(shù)各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）和表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）可以定量診斷纖維結(jié)構(gòu)的微觀變化，纖維示蹤成像可以直觀顯示纖維束的形態(tài)、走行及連接部位，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者應(yīng)用于除中樞神經(jīng)系統(tǒng)以外的其他軟組織病變研究，比如應(yīng)用MRI及彌散張量成像研究正常前交叉韌帶及前交叉韌帶損傷重建術(shù)等[3]。而前交叉韌帶損傷程度分級(jí)的彌散張量成像研究較少，尚未見到應(yīng)用彌散張量成像的纖維示蹤成像技術(shù)評(píng)價(jià)前交叉韌帶損傷分級(jí)的報(bào)道[4,5]。本研究采用彌散張量成像技術(shù)，比較前交叉韌帶損傷處與正常組相應(yīng)部位，以及不同損傷分級(jí)之間的FA、ADC，探尋其與損傷程度的相關(guān)性，闡明纖維示蹤成像對(duì)前交叉韌帶損傷分級(jí)的診斷價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

1.1.1 研究對(duì)象 選取2017年1月至2018年9月因單側(cè)膝關(guān)節(jié)不適于新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院第三附屬醫(yī)院采用MRI及彌散張量成像掃描檢查正常者100例（100側(cè)），其中男、女性各50例，左側(cè)58例，右側(cè)42例。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(wú)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。另選取同期該院因單側(cè)膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶撕裂傷住院患者100例（100側(cè)），其中男性43例，左側(cè)18例，右側(cè)25例；女性57例，左側(cè)25例，右側(cè)32例；年齡22～58歲，平均39.6歲。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)和軸移試驗(yàn)均為（+）；（3）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；（5）研究對(duì)象均知情同意。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。

1.1.2 損傷分級(jí) 按照關(guān)節(jié)鏡檢查的“金標(biāo)準(zhǔn)”：Ⅰ級(jí)損傷：前交叉韌帶的形態(tài)、走行基本正常，周圍伴有充血、水腫；Ⅱ級(jí)損傷：前交叉韌帶的形態(tài)結(jié)構(gòu)完整，韌帶略松弛，撕裂部分不超過1/2；Ⅲ級(jí)損傷：前交叉韌帶的形態(tài)結(jié)構(gòu)不完整，韌帶松弛，張力低，撕裂部分超過1/2，有少量纖維相連；Ⅳ級(jí)損傷：前交叉韌帶的形態(tài)消失，走行平坦，韌帶完全斷裂或僅有包膜包裹，韌帶極度松弛，無(wú)張力[6]。本研究納入前交叉韌帶損傷患者分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)，分別有16例、23例、36例、25例。

1.2 研究方法

1.2.1 設(shè)備及參數(shù) 使用Philips公司3.0 T 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)原因造成韌帶內(nèi)水分子的變化。

1.2.2 圖像處理及測(cè)量 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。在前交叉韌帶損傷處設(shè)置感興趣區(qū)，利用該軟件測(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。為提高各感興趣區(qū)測(cè)量的FA、ADC和損傷程度分級(jí)的準(zhǔn)確性，由2名醫(yī)師分別測(cè)量3次取其平均值，同時(shí)進(jìn)行雙盲閱片，與關(guān)節(jié)鏡檢查進(jìn)行對(duì)比分析前交叉韌帶損傷分級(jí)的診斷率。

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，計(jì)量資料的前交叉韌帶損傷處與正常組相應(yīng)部位的FA、ADC比較采用t檢驗(yàn)，不同分級(jí)前交叉韌帶損傷之間的FA、ADC比較采用方差分析，彌散張量成像的FA和ADC、纖維示蹤成像和MRI的特異度、靈敏度、準(zhǔn)確度等比較采用χ2檢驗(yàn)，不同分級(jí)前交叉韌帶損傷與FA、ADC的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析法。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 前交叉韌帶損傷處和正常組的FA、ADC

在FA偽彩圖上，正常組前交叉韌帶的顏色欠均勻，以藍(lán)色和綠色為主，其下段伴有少量紅色（圖1B）；前交叉韌帶損傷處的顏色混亂（圖2B）。在ADC圖像上，正常組前交叉韌帶的信號(hào)較其周圍的骨骼肌信號(hào)略低（圖1C）；前交叉韌帶損傷處的確切信號(hào)顯示不清（圖2C）。在纖維示蹤圖像上，正常前交叉韌帶的走行連續(xù)，纖維束規(guī)則，以淺綠色為主，同時(shí)伴有少量藍(lán)色，其上、下端有少量紅色（圖1D）；前交叉韌帶損傷處的纖維走行中斷，其斷端的纖維束增粗、形狀不規(guī)則（圖2D）。

前交叉韌帶損傷處和正常組相應(yīng)部位的FA、ADC測(cè)量值見表1。經(jīng)t檢驗(yàn)分析，前交叉韌帶損傷處與正常組相應(yīng)部位的FA和ADC差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），前交叉韌帶損傷處的FA低于正常組相應(yīng)部位，ADC高于正常組相應(yīng)部位。

圖1 前交叉韌帶的彌散張量成像（右側(cè)）A：橫斷層標(biāo)本B：FA偽彩圖C：ADC圖D：纖維示蹤圖像白色箭頭示前交叉韌帶Fig.1 Diffusion tensor images of the right anterior cruciate ligamentA:Transverse specimen；B:FA false color images；C:ADC images；D:Tractography images；The white arrow showed the anterior cruciate ligament

表1 前交叉韌帶損傷處和正常組的FA、ADC測(cè)量值（±s，n1=100，n2=100）Tab.1 The FA values and ADC values of the anterior cruciate ligament injury and normal group(Mean±SD,n1=n2=100)

表1 前交叉韌帶損傷處和正常組的FA、ADC測(cè)量值（±s，n1=100，n2=100）Tab.1 The FA values and ADC values of the anterior cruciate ligament injury and normal group(Mean±SD,n1=n2=100)

2.2 前交叉韌帶損傷不同分級(jí)的FA和ADC

在FA偽彩圖上，前交叉韌帶損傷處的藍(lán)色不同程度減少，隨損傷程度不同，局部區(qū)域混雜有綠色和紅色，Ⅳ級(jí)損傷處的藍(lán)色和綠色消失；在ADC圖像上，前交叉韌帶損傷處的信號(hào)不同程度增強(qiáng)；在纖維示蹤圖像上，前交叉韌帶損傷處的纖維呈不同程度中斷、走行紊亂，藍(lán)色纖維減少，混雜有不同比例的綠色和紅色纖維，Ⅳ級(jí)損傷處的藍(lán)色纖維消失（圖2B～D）。

前交叉韌帶損傷的FA和ADC測(cè)量值見表2。前交叉韌帶Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)損傷處的FA和ADC差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），F(xiàn)A隨損傷程度增高而逐漸降低，ADC則逐漸增高；組間比較Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)的FA和ADC值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），其他損傷分級(jí)之間的FA和ADC差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

2.3 前交叉韌帶損傷不同分級(jí)與FA、ADC的相關(guān)性

經(jīng)Spearman相關(guān)性分析，前交叉韌帶損傷Ⅰ～Ⅳ級(jí)的FA逐漸降低，損傷程度與FA呈負(fù)相關(guān)（r=-0.873，P＜0.01）；ADC則逐漸增高，損傷程度與ADC呈正相關(guān)（r=0.831，P＜0.01）。

2.4 前交叉韌帶損傷的分級(jí)診斷效果

彌散張量成像的FA和ADC、纖維示蹤成像、MRI對(duì)前交叉韌帶損傷分級(jí)診斷的靈敏度、特異度、準(zhǔn)確度、陽(yáng)性預(yù)測(cè)值、陰性預(yù)測(cè)值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），F(xiàn)A和ADC高于MRI，纖維示蹤成像高于FA和ADC、MRI，見表3。

3 討論

3.1 前交叉韌帶損傷與正常組的彌散張量成像觀測(cè)

圖2 前交叉韌帶損傷（Ⅳ級(jí)）的彌散張量成像（右側(cè)）A：橫斷層標(biāo)本（正常）B：F A偽彩圖C：ADC圖D：纖維示蹤圖像 白色箭頭示前交叉韌帶損傷處Fig.2 Diffusion tensor images of the right anterior cruciate ligament injury(IV grade)A:Normal transverse specimen；B:FA false color images；C:ADC images；D:Tractography images；The white arrow showed the position of anterior cruciate ligament injury

表2 前交叉韌帶損傷不同分級(jí)的FA和ADC測(cè)量值（±s，n1=16，n2=23，n3=36，n4=25）Tab.2 The FA values and ADC values in the different degrees of anterior cruciateligament injury(Mean±SD,n1=16,n2=23,n3=36,n4=25)

表2 前交叉韌帶損傷不同分級(jí)的FA和ADC測(cè)量值（±s，n1=16，n2=23，n3=36，n4=25）Tab.2 The FA values and ADC values in the different degrees of anterior cruciateligament injury(Mean±SD,n1=16,n2=23,n3=36,n4=25)

表3 FA和ADC、纖維示蹤成像及MRI對(duì)前交叉韌帶損傷分級(jí)的診斷效果（%，n1=n2=n3=100）Tab.3 Diagnostic effect in different degrees of anterior cruciate ligament injury by the FA values and ADC values,tractography imaging and MRI(%,n1=n2=n3=100)

前交叉韌帶損傷是臨床常見的膝關(guān)節(jié)病變，據(jù)調(diào)查我國(guó)足球、摔跤、柔道、武術(shù)等運(yùn)動(dòng)員的前交叉韌帶損傷率約為0.4%，普通人群約為0.3%[7]，而MRI對(duì)前交叉韌帶損傷的確診率完全撕裂傷為81%～89%，部分撕裂傷為56%～77%。造成前交叉韌帶損傷漏診或誤診的主要原因是韌帶外面包裹有滑膜，當(dāng)韌帶完全撕裂后其滑膜可以保持完整性，MRI未能辨識(shí)韌帶的連續(xù)性斷裂；另外，當(dāng)韌帶退變后出現(xiàn)嗜酸紅黏液變性或急性扭傷后發(fā)生水腫，可造成韌帶內(nèi)的信號(hào)異常增強(qiáng)而出現(xiàn)假陽(yáng)性[8]，醫(yī)師可能將完全撕裂傷誤診為部分撕裂傷，或?qū)⑤^嚴(yán)重的部分撕裂傷誤診為完全撕裂傷。彌散張量成像可以在分子水平定量評(píng)價(jià)前交叉韌帶的微觀結(jié)構(gòu)變化，常用參數(shù)有FA和ADC，分別顯示微觀結(jié)構(gòu)的不同變化特征，可以為臨床有效診治提供重要的參考依據(jù)。Hakan等[9]對(duì)人體肌肉及跟腱損傷進(jìn)行研究，認(rèn)為損傷組的FA低于正常組，ADC高于正常組。本研究將前交叉韌帶損傷處與正常組相應(yīng)部位的FA、ADC進(jìn)行比較，F(xiàn)A低于正常組相應(yīng)部位，ADC高于正常組相應(yīng)部位，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。與肌肉及跟腱損傷的研究結(jié)果相一致。分析原因可能是由于前交叉韌帶撕裂后纖維走行的連續(xù)性中斷，其斷端的纖維出現(xiàn)紊亂，使韌帶內(nèi)水分子彌散運(yùn)動(dòng)的各向異性減小，導(dǎo)致?lián)p傷處的FA降低；韌帶損傷后的水腫液及H+聚集，使水分子的彌散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致?lián)p傷處的ADC增高。

3.2 前交叉韌帶損傷不同分級(jí)的彌散張量成像觀測(cè)及其相關(guān)性

前交叉韌帶損傷后缺乏自我修復(fù)能力，主要是因?yàn)轫g帶損傷處的生長(zhǎng)因子裸露于關(guān)節(jié)腔的滑液內(nèi)，被滑液沖刷和稀釋；滑液中有溶解生長(zhǎng)因子的膠原酶，同時(shí)也可以溶解斷端的纖維組織[10]。Ⅰ型、Ⅲ型膠原纖維是構(gòu)成肌腱和韌帶的重要成分，是保持自身力學(xué)特性的物質(zhì)基礎(chǔ)，Ⅰ型膠原纖維的生物力學(xué)特性明顯高于Ⅲ型膠原纖維，在前交叉韌帶內(nèi)以Ⅰ型膠原纖維為主，構(gòu)成前交叉韌帶內(nèi)的縱形致密纖維。由于前交叉韌帶內(nèi)大量Ⅰ型膠原纖維的定向排列，使各向異性相對(duì)較大，F(xiàn)A相對(duì)偏高；同時(shí)前交叉韌帶內(nèi)夾雜有較多的疏松結(jié)締組織，使多肽形成的網(wǎng)架上結(jié)合的水分子增多，ADC相對(duì)偏低[11]。當(dāng)前交叉韌帶發(fā)生不同程度損傷時(shí)，纖維束部分或完全撕裂，由于韌帶愈合困難，纖維排列紊亂，出現(xiàn)不同程度的相對(duì)同向異性，使FA不同程度降低；由于韌帶斷端的多肽網(wǎng)架受到不同程度的破壞，出現(xiàn)局部水腫，水腫液使水分子彌散運(yùn)動(dòng)不同程度增加，使ADC不同程度增高。Zeng等[12]采用彌散張量成像觀測(cè)不同程度損傷的肌肉組織，分析骨骼肌的水腫、輕度撕裂和完全撕裂組的FA和ADC變化，認(rèn)為輕度撕裂和完全撕裂組較正常組的FA降低，ADC增高，F(xiàn)A與ADC之間呈負(fù)相關(guān)。本研究將前交叉韌帶損傷程度分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)，損傷處FA和ADC差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，F(xiàn)A隨損傷程度增高而逐漸降低，與損傷程度呈負(fù)相關(guān)；ADC則逐漸增高，與損傷程度呈正相關(guān)，其中FA的相關(guān)性更強(qiáng)，是判斷前交叉韌帶損傷程度的一個(gè)重要參數(shù)。但是本研究在Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)損傷的組間比較中，Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)之間的FA差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，分析原因可能與前交叉韌帶的超微結(jié)構(gòu)有關(guān)。前交叉韌帶由多根纖維束構(gòu)成，其外面包裹有滑膜，而每根纖維束由3～20根亞纖維束構(gòu)成，其外面包裹有結(jié)締組織，當(dāng)發(fā)生Ⅰ級(jí)損傷時(shí)僅有少量纖維束及結(jié)締組織撕裂；Ⅱ級(jí)損傷時(shí)纖維束及結(jié)締組織撕裂不超過1/2，由于前交叉韌帶的纖維束數(shù)量較多，當(dāng)僅有少部分纖維束損傷后，包裹在纖維束外面的結(jié)締組織瘢痕增生，或者在解剖空間上受到其周圍纖維束的干擾，導(dǎo)致了FA相對(duì)增高[13]。Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)之間的ADC差異也無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能是由于水分子的彌散運(yùn)動(dòng)受到多種因素影響，如纖維的撕裂方式、個(gè)體差異、周圍血液供應(yīng)差異等，使Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)損傷的水分子彌散運(yùn)動(dòng)程度相近。

3.3 前交叉韌帶損傷的分級(jí)診斷效果評(píng)價(jià)

前交叉韌帶損傷的主要診斷方法是關(guān)節(jié)鏡和影像學(xué)檢查，目前關(guān)節(jié)鏡被認(rèn)為診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”[6]，但是由于關(guān)節(jié)鏡具有創(chuàng)傷性，不易被患者接受[14]。在彌散張量成像的FA偽彩圖和ADC圖上，正常前交叉韌帶呈藍(lán)綠色，當(dāng)前交叉韌帶損傷后其走行紊亂，各向異性降低，原本沿著Z軸（藍(lán)色）、Y軸（綠色）的纖維被沿其他方向（X軸，紅色）的撕裂纖維所替代；隨著韌帶損傷程度增加，F(xiàn)A偽彩圖的局部顏色逐漸丟失，ADC圖較正常信號(hào)強(qiáng)度逐漸增高，由黑色逐漸轉(zhuǎn)變成灰白色[15]。在纖維示蹤圖像上，正常前交叉韌帶的體部顯示良好，由于纖維主要沿Z軸、部分Y軸走行，以藍(lán)色為主，符合前交叉韌帶自內(nèi)下前方斜向外上后方走行的解剖特點(diǎn)；當(dāng)前交叉韌帶損傷后，由于韌帶撕裂而纖維示蹤圖像呈不連續(xù)性，走行雜亂，在藍(lán)綠色中混雜了其他顏色[16]。Delin等[17]選取ADC與MRI對(duì)前交叉韌帶的部分撕裂傷與完全撕裂傷診斷進(jìn)行比較，認(rèn)為ADC較MRI的特異度、靈敏度高，完全撕裂傷的特異度、靈敏度高于部分撕裂傷。本研究采用彌散張量成像的FA和ADC、纖維示蹤成像、MRI與關(guān)節(jié)鏡檢查的“金標(biāo)準(zhǔn)”相比較，F(xiàn)A和ADC對(duì)前交叉韌帶損傷的分級(jí)診斷靈敏度、特異度、準(zhǔn)確度、陽(yáng)性預(yù)測(cè)值、陰性預(yù)測(cè)值高于MRI信號(hào)強(qiáng)度，纖維示蹤圖像高于FA和ADC，說明纖維示蹤圖像能夠定量評(píng)價(jià)纖維的走行及連接，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)纖維的損傷程度，是目前診斷前交叉韌帶損傷程度的最佳手段。

綜上所述，彌散張量成像的FA和ADC可以準(zhǔn)確反映前交叉韌帶損傷的程度，纖維示蹤成像可以提高前交叉韌帶損傷分級(jí)的準(zhǔn)確率，為前交叉韌帶損傷提供了微觀結(jié)構(gòu)變化的影像診斷依據(jù)。