活体前交叉韧带MRI功能解剖学研究

陈 新，潘晶晶

（中国人民解放军第二炮兵总医院医学影像科，北京 100088）

解剖学[1-2]和影像学[3-6]研究表明，膝关节前交叉韧带（Anterior cruciate ligament，ACL）主要分为前内侧束 （Anteromedial bundle，AMB） 和后外侧束（Posterolateral bundle，PLB）。 离体膝关节 ACL 功能解剖研究[7-9]表明，ACL的AMB和PLB 2束在膝关节不同屈伸状态下，其长度、张力、形态变化存在较大差异，功能作用不同。本文应用三维MRI扫描序列，对正常自愿者膝关节行不同屈伸状态下扫描，探讨生理状态下ACL 2束的结构形态变化，结合文献，研究AMB和PLB在膝关节运动中的作用和形态学特征。

1 材料与方法

自愿者30例。男12例，女18例；年龄16～31岁，平均23岁；从事非体育专业；无膝关节外伤史及相关临床症状。均知情并同意行MRI检查。其中10例行双侧膝关节检查，共完成膝关节MRI检查40个。

检查方法：Siemens Sonata 1.5T超导磁共振仪。膝关节表面柔性线圈。使用多回波数据组合（Multiple-echo data image combination sequence，MEDIC）三维梯度回波序列扫描，T2WI对比。TR 24～39ms，TE 20～24ms，反转角 8°～12°，组合回波数（Combined echoes）3， 视 野 （FOV）120mm ×160mm～135mm ×180mm，矩阵256×512，层厚0.75mm。冠状位或矢状位扫描，范围覆盖整个膝关节。30例中20例扫描单侧膝关节，10例扫描双侧膝关节。每个膝关节行4种体位扫描， 膝伸直位 （0°） 和屈膝位 （30°、60°、90°）。先扫矢状定位像，测量屈膝角度，误差控制在±（2～3）°。

重建方法：由2名放射学医师（主任医师1名，住院医师1名）共同分析MRI图像。将采集的连续薄层图像数据行多平面重建（MPR）。以ACL为观察对象确定观测层面[3]。斜冠状位：在能够最大程度显示ACL的矢状位图像上平行ACL中间纤维束走行方向重建；斜矢状位：在能够显示ACL 2束的斜冠状位图像上分别平行AMB和PLB中心纤维束[8]重建。

ACL的观察与测量方法：①长度测量：在斜矢状位重建图像上分别测量AMB和PLB股骨至胫骨附着端前缘的直线距离。②上倾角：在斜矢状位图像上分别测量AMB和PLB与胫骨平台间夹角。③张力变化：在斜矢状位图像上分别观察AMB和PLB的张力情况，高张力（Ⅲ°）：纤维束呈拉直状，与2附着点连线平行或重合；低张力（Ⅱ°）：纤维束呈弧线状，呈偏离2附着点连线；迂曲型（Ⅰ°）：纤维束呈“S”状走行。④构型：在斜冠状位观察AMB和PLB相互间的结构变化。

2 结果

ACL的AMB和PLB长度随屈膝度不同而发生变化。屈膝30°时，AMB长度较伸直位略缩短；屈膝60°和 90°时，AMB 长度逐渐增加；屈膝 90°时，长度值最大。PLB长度于伸直位时最大，随屈膝度增加逐渐减小（表 1）。

表1 膝关节不同屈膝度时ACL长度（mm，x±s）

上倾角：AMB上倾角在不同屈膝度时均小于PLB，随着屈膝角度增大，AMB和PLB上倾角逐渐减小（表 2）。

表2 不同屈膝度时ACL上倾角（°，x±s）

根据斜冠状位表现，ACL主要表现为2种类型：平行结构型，22个。ACL 2束在伸直位时呈“人”字型[3]，随着屈膝度增加，AMB和PLB中心纤维束远侧（胫骨侧）约2/3长度呈平行状走行，近股骨附着端融合。屈膝90°时最明显，可观察到接近平行状走行的高张力的AMB和低张力的PLB（图1）。斜矢状位观察，AMB于伸直位和屈膝30°时张力为Ⅱ°，屈膝 60°和 90°时达到Ⅲ°， 以 90°时张力最高 （图2）；PLB 于伸直位和屈膝 30°时张力为Ⅲ°或Ⅱ°，屈膝 60°和 90°时张力为Ⅱ°和Ⅰ°，以 90°时张力最低，呈“S”型迂曲（图 3）。 绞扭结构型，18 个。 伸直位，同平行结构型相似，均表现为“人”字型，随着屈膝度增加，AMB和PLB中心纤维束于近1/2处绞扭在一起，形成叉形结构。屈膝90°时最明显（图4）。屈膝30°以前斜矢状位观察，AMB和PLB张力变化与平行结构型相似；屈膝60°和90°时，由于2束绞扭，AMB张力只能达到Ⅱ°（图 5），PLB 张力仍为Ⅰ°，呈“S”型迂曲（图 6）。

10例双侧膝关节自身对比研究，左右膝关节ACL的AMB和PLB在长度、后倾角及结构类型几个方面相似。

3 讨论

图1～3 为同一膝关节，屈膝90°。图1：斜冠状位像，ACL呈平行结构型，AMB张力高于PLB。图2：斜矢状位像，AMB呈高张力Ⅲ°。图3：斜矢状位像，PLB呈低张力迂曲状。Figure 1～3. Same knee in 90°flexion.Figure 1:On oblique coronal MR image ACL showed a parallel type and AMB was tighten higher than PLB.Figure 2:On oblique sagittal MR image AMB showed a higher tension to Ⅲ°.Figure 3:On oblique sagittal MR image PLB showed lower tension.

图4～6 为同一膝关节，屈膝90°。图4：斜冠状位像，ACL呈绞扭结构型，AMB与PLB在中段相交。图5：斜矢状位像，AMB呈较高张力Ⅱ°。图6：斜矢状位像，PLB呈低张力迂曲状。Figure 4～6. Same knee in 90°flexion.Figure 4:On oblique coronal MR image ACL showed a twist type and AMB cross with PLB in the middle portion.Figure 5:On oblique sagittal MR image AMB showed higher tension toⅡ°.Figure 6:On oblique sagittal MR image PLB showed loser and lower tension.

ACL功能解剖学研究又称为解剖运动学或解剖和生物力学研究。主要目的是了解膝关节在不同运动状态下，ACL各功能束的形态、长度和应力等变化，分析各束在膝关节稳定中的功能和作用。以往主要是利用尸体膝关节[1，7-8，10-11]作为研究对象，采用解剖方法充分暴露ACL，直视下观察和测量AMB和PLB，或采用在AMB和PLB附着端分别穿入金属丝，测量不同屈膝度时外露金属丝长度变化来间接研究长度和应力的变化。上述研究成果奠定ACL功能解剖学基础。直视下精细解剖观测是尸体膝关节ACL研究的优势，是最直观最可靠的研究方法，但在功能解剖学研究中有其不足之处。所谓功能是对生理状态而言。尸体膝关节研究中，膝关节周围支持组织如皮肤、肌腱、关节囊等结构不同程度被破坏；韧带结构经冷冻防腐处理弹性和韧性受到影响[12]；研究中人为施加的外力等与生理状态不符，或多或少影响了研究结果。了解生理条件下ACL功能解剖变化及受力规律对设计ACL重建手术、术后指导康复、促进功能恢复有重要意义[9]。MRI为无创性检查方法。研究表明[3-6]MRI能够清晰显示和区分ACL的AMB和PLB，为生理状态下的研究提供了手段。MEDIC序列是施加了流动补偿的多回波组合梯度回波序列，图像中包含了不同T2权重因子，适用于关节和韧带的评价[3，14]。本组采用0.75mm层厚采集，在MPR重建中基本满足各向同性的要求，为任意层面重建AMB和PLB提供了支持。本组研究中，由于受条件和设备限制，并未在膝关节生理负重下进行MRI扫描，使所谓生理状态下研究仍有缺陷。

AMB和PLB在膝关节运动中承担不同的功能和作用。尸体膝关节研究证明[7-10]：AMB于伸直位和屈膝30°时较短，屈膝60°～130°时长度逐渐增加；PLB于伸直位和屈膝30°时较长，此后随屈膝度增加长度逐渐缩短，于屈膝90°时，缩短最明显。本组所测AMB和PLB长度数值在动态上与上述描述基本符合，并在形态学上直观显示了AMB和PLB张力变化。在屈膝90°时AMB和PLB张力差别最大。前者呈高张力细带状，而后者呈“S”型迂曲状。由此进一步证明ACL是具有不同功能的子束结构。在稳定膝关节，防止胫骨前移中，PLB在伸直位和屈膝30°时起重要作用，AMB 在屈膝 60°～90°时起主要作用。国内2组尸体膝关节伸直位ACL测量[1，13]：AMB平均长度分别为36.4mm和40.5mm，PLB平均长度分别为17.8mm和17.7mm。与本组比较，AMB长度值较接近，而PLB长度值明显小于本组所测值，这是测量方法不同所致。MRI测量的是AMB和PLB前缘的中心纤维束或称主纤维束长度。上述2组中，AMB测量的是其前缘长度（与本组方法相同），PLB测量的是后缘长度（与本组方法不同）。从解剖形态上可以理解PLB前缘长度大于后缘长度。

在伸膝、斜冠状位重建图像上AMB和PLB构成“人”字型结构，二者相交形成的角度不同[3]。当屈膝60°～90°时，ACL可表现为2种结构类型。平行结构型中，AMB和PLB中心纤维束以平行走行为主，束间多有明显的分界，2者在功能作用上有明显区别，屈膝 90°时，AMB 呈高张力（Ⅲ°）型，而 PLB 呈低张力迂曲型（Ⅰ°），此种结构类型支持已为学术界普遍认可的[15]ACL存在解剖和功能上的2束结构。绞扭结构型中，股骨附着段AMB和PLB过早融合。解剖学基础可能是部分ACL 2束难以钝性分离[7]，ACL纤维束大部分呈纵向走行，一部分纤维束呈螺旋状缠绕[16]。从功能上看，绞扭型结构仍具有与平行型结构相似的AMB和PLB功能。因为AMB和PLB主要是根据其在胫骨附着点的位置而划分的[15]。所谓绞扭型并未影响胫骨附着段的结构。屈膝90°MRI斜冠状位和斜矢状位像上看，虽然AMB张力达不到平行结构型的Ⅲ°，但仍明显高于呈迂曲状的PLB，表明ACL仍具有不同功能的2束结构。本组在观察ACL 2束的形态变化时，描述的仅是代表AMB和PLB主要功能的中心部分纤维束[8]，而忽略了其他伴随纤维束的变化。不同个体中，ACL 2种结构类型存在逐渐转化的过渡形式，所谓ACL平行结构应理解为AMB和PLB绞扭不明显的一种构型。

了解ACL上倾角有助于重建时设计隧道角度，防止股骨髁撞击重建韧带[17]。国外文献[18]报道膝伸直位 ACL 上倾角平均为 68°±3°和 68°±4°。国内一组尸检数据[19]为 53.6°±9.6°。 本组采用 2 束分别测量方法。在不同屈膝位时，AMB上倾角均小于PLB，并随着屈膝角度增大，AMB和PLB上倾角逐渐减小。本组所测膝伸直位AMB和PLB上倾角明显小于上述国外报道的数值，与国内数值较接近，除测量方法不同外（以往采用单束测量），尚难以解释形成差距的主要影响因素。

影像学方法在膝关节交叉韧带重建手术方案设计中已发挥了作用[19-20]。本组10例双膝关节研究表明，同一个体中左右膝关节ACL的AMB和PLB结构形态和张力变化相似。在ACL重建时，应用MRI对健侧膝关节进行研究，了解ACL的功能解剖，有助于外科学所强调的[21]：在可重复的技术规范下针对个体进行个性化ACL重建的设计。

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