动态磁共振成像在膝关节疾病诊断中的应用

王玉丽，洪 闻

（中日友好医院 放射科，北京 100029）

膝关节是人体最大最复杂的关节，由股骨下端、胫骨上端和髌骨、韧带、半月板等组成，具有屈伸、内收外展、旋转等复杂运动。在日常的生理活动中，负重较大且活动较多，因此也是人体中退化较早、极易损伤的关节，如果不及时治疗，将导致生活质量下降甚至行走功能的丧失，所以早发现早诊断早治疗是非常重要的。

1 膝关节动态MRI检查方法

目前对膝关节疾病的影像学检查方法主要有：X线、计算机体层摄影（computed tomography，CT）、关节镜及磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等。 关节镜可直接全面观察关节内部结构的改变，但却具有创伤性和主观性；MRI相对于X线、CT扫描具有较高的组织对比度，可行多方位多序列成像，可提供生理功能方面的信息，无损伤无电离辐射等优点，尤其是对半月板韧带等软组织具有相当高的敏感性和特异性，但是常规MRI却有一定的缺陷：只是进行一个方向的检查，忽略了膝关节日常活动过程中的动态因素，不能反映膝关节的日常生理负荷情况，而动态MRI恰巧能精确反映膝关节疾病相关因素的动态变化情况[1]，本文就此进行综述。

膝关节动态MRI的扫描方法可分为2种：①直立位：Fonar 0.6T、GE signa 0.5T直立开放式MRI出现以后，受检者就可以进行直立位检查，允许受检部位在承受生理负荷情况下接受检查，更接近于日常生活中的自然体位，检查结果也更加准确可靠。

膝关节进行直立位动态MRI扫描时，MRI检查床需要倾斜一定的角度，受检者斜靠在检查床上，以便于双膝屈伸，用角度测量仪来测量既定的屈伸角度，用腹部线圈包绕在双膝关节周围，同时获得双膝关节的动态图像（Fonar 0.6T），或者用5＂膝关节柔软表面线圈，固定在膝关节周围获得单膝关节的动态图像（GE 0.5T），直立状态下可以进行任意角度的屈伸。扫描序列、参数，扫描方法还要根据场强的大小和所观察组织的结构成分等来设定。直立开放式动态MRI作为一种新型的检查技术，在身体自然生理负荷情况下能获得比常规MRI更多的信息，但是鉴于设备的限制，在国内还未开展此项研究[2]。②卧位：第1种是仰卧位，使用意大利制造的Artoscan 0.2T四肢关节专用MRI机器，膝关节置于膝关节表面线圈中间，检查一侧的足固定在带有刻度（表示不同的屈伸角度）可锁定的移动装置上，此种装置可以使受检者根据研究者的要求来获得不同的屈伸角度，可以了解膝关节0°～40°范围内的动态变化情况，此款机器还附带专门的动态扫描序列：kinematic sequences SE 24 Transverse序列。Siemens、GE 公司高场MRI也有类似的膝关节运动装置。第2种是俯卧位，使用GE signa 0.35T低场MRI，配备专门膝关节运动装置，臀部和踝关节固定，训练受检者，要求膝关节运动缓慢匀速，运动中扫描，使用FRFSE（快速恢复快速自旋回波：fast recovery fast spin echo）或者FSPGR （快速扰相梯度回波：fast spoiled gradient echo）序列进行扫描，根据受检者情况使用不同力量的负荷张力带判断膝关节的运动情况，此种方法容易有运动伪影，还没有确切的屈伸角度，但它是一种主动运动，肌肉的力量也参与到了屈伸运动中，更接近于日常生活中的自然运动。此两种方法有一个共同的缺陷：由于机器自身孔径的限制，卧位的情况下膝关节只能进行小角度屈伸。

2 动态MRI在膝关节疾病诊断中的应用

2.1 髌股关节病

髌股关节疾病是髌骨轨迹异常和髌股关节软骨损伤这类疾病的统称，因为发病机制不明，国际上尚无统一命名，有髌骨软化病，髌股关节疼痛，髌骨排列异常，髌股关节不稳等[3]。

2.1.1 髌骨运动轨迹

髌骨的不稳定是造成膝前疼痛的主要原因。目前髌骨不稳定的发病机制还不清楚，随着影像学技术的发展，人们对髌骨的研究逐渐从静态延伸至动态的动力学研究，更接近于日常生活中真实的生理、生物力学机制。

正常情况下，髌骨的旋转范围很小，因为髌骨通过髌韧带附着在胫骨上，而胫骨在负重情况下旋转范围也很小，股四头肌的收缩力与相对固定的胫骨导致髌骨的相对稳定。

良好的髌骨周围结构及其力学平衡，对维持髌骨的正常排列具有重要作用。以前有的学者在尸体标本中研究滑车沟和髌骨的关系，无论如何，体外并不能代表体内，因为研究过程中大量的假设和简单化，即使是体内承重与非承重，主动运动与被动运动表现出来滑车沟与髌骨运动轨迹的关系都不相同[4，5]。

Varadarajan[6]第1次在人体内承重的情况下研究髌骨运动轨迹和滑车沟的关系，对21个健康志愿者行动态MRI检查，从完全伸直至深度屈曲，得出结论：髌骨的偏移与滑车沟的位置密切相关，与滑车沟的角度没有太大关系，随着屈曲角度的增大，髌骨偏移的程度还与滑车沟的方向有关，与Nha[7]观点相同；髌骨的倾斜与滑车沟的角度密切相关；髌骨的旋转与滑车沟的关系不是很密切，可能是与解剖结构上的凹凸接触面结合比较紧密有关。由此可见，股骨滑车的几何参数对髌骨的运动起着重要的作用，通过研究健康志愿者来为髌骨运动轨迹异常的患者提供一个理论基础，为临床治疗提供一个影像学依据。

2.1.2 髌股关节

髌股关节是膝关节重要的组成部分，由髌骨和股骨滑车组成，若髌骨和股骨滑车凹排列出现异常或发生异常活动必然引起髌股关节间的应力分布异常，导致膝前疼痛及髌股关节软骨软化，最终出现骨性关节炎。因此对髌股关节排列异常做出正确诊断和治疗具有重要作用。MRI作为一种无创性检查方法，对于评价膝关节运动、损伤及病理变化具有重要意义，动态MRI可以判断运动中的髌股关节异常排列的类型及程度，提高髌股关节间排列异常的检出率[8]。

目前用于评价髌股关节排列的动态MRI量化参数（测量时选取髌骨横径最大的轴面）：①髌骨最大径（maximum patella width，MPW）：髌骨内外侧突起缘的最大连线距离， 用数值 （mm） 表示；②外侧髌股角（lateral patellofemoral angle，LPA）：髌骨外侧缘的切线与股骨髁最高点连线的夹角，用度数 （°）表示；③股骨滑车沟角（femoral trochlear angle，FTA）：沿股骨滑车沟内内外侧缘连线的夹角，用度数（°）表示；④髌骨倾斜角（patellar tilt angle，PTA）：髌骨最大横径的延长线与股骨髁后缘连线的夹角，用度数（°）表示；⑤股骨滑车沟深度（femoral trochlear depth，FTD）：股骨滑车沟的最低点到滑车内外侧髁前缘连线的垂直距离，用数值（°）表示等[9]。

符纪宁等[9]通过对正常组30个、病例组20个膝关节分别在仰卧位被动屈曲 0°，6°，12°，18°，24°，30°，36°下进行轴位动态MRI（0.2T永磁四肢关节专用MRI机器）扫描，利用机器自带的测量功能测量MPW、LPA、FTA、PTA、FTD参数，得出结论：各参数在正常组与病例组均没有显著性差异，PTA与FTD在所有角度下均有组间的显著性差异，FTA在部分角度下有显著性差异，因此，PTA与FTD在动态MRI下能很好的评价髌股关节的排列关系，FTD在20°左右可用来定量评价髌股关节的排列关系。

Souza等[2]用0.5T GE直立开放式MRI对15例髌股关节疾病患者和15例健康志愿者（对照组）进行了屈伸动态MRI检查，测量几个变量，分别观察股骨旋转，髌骨旋转，髌骨脱位，髌骨倾斜发现：髌股关节疾病患者比对照组表现出来更大程度的髌骨外侧脱位，髌骨外侧倾斜，股骨内旋。髌股关节疾病患者在膝关节运动过程中髌骨有更大程度的外侧脱位，倾斜与以前报道类似[5，10]。

Li等[11]对10个健康志愿者进行了膝关节负重MRI检查，屈伸角度是0°～135°，得出结论：当膝关节屈曲时，股骨和髌骨均向后移动；在整个屈伸过程中，股骨内外侧移动很小，约2mm，髌骨最大旋转角度达到了75°，与股骨、胫骨的旋转具有一定相关性（当屈曲达到90°时，髌骨的旋转角度最大是75°，然后随着屈曲的继续，旋转角度逐渐减小）；相似，髌骨向外侧倾斜的程度，旋转均与股骨旋转角度有关（屈曲90°之前，髌骨向内侧旋转，90°以后向外侧旋转）。

股骨过度内外旋转时会导致髌股关节接触面积减小，关节面的压力相应增大，进而导致膝关节的疼痛，尤其是在膝关节刚开始屈曲时，因此对于具有此症状的患者适当的控制股骨旋转则可以适当减轻疼痛，对于重塑髌股关节的运动特性也是非常重要的[11，12]。胫骨的旋转对髌骨运动轨迹的影响在膝关节生理病理的研究中也发挥着重要作用。由此可见，髌股关节、股胫关节是一种相互依存的关系，股胫关节的运动影响着髌股关节的运动和关节接触面的压力[11，13，14]。

2.2 交叉韧带

当前交叉韧带 （anterior cruciate ligament，ACL）退变时，会加速胫骨内侧旋转；当后交叉韧带（posterior cruciate ligament，PCL）退变时，会加速胫骨外侧旋转；股胫关节的异常旋转，最终导致髌骨功能的改变[15，16]。通过对交叉韧带行动态MRI检查，更多的了解生理病理，为韧带退变患者提供一个合适的治疗方案是非常有必要的。

PCL的强度是ACL的1.5～2倍，因此只有受暴力才能致伤，提示PCL损伤多发生于高强度高对抗性的运动外伤或交通伤中[17]。ACL损伤在临床上还是较常见的，尤其是运动员在运动锻炼（尤其是足球）的过程中易导致ACL的损伤，女性运动员ACL损伤的几率是男性运动员的2～3倍[18]，然后会引起疼痛，关节不稳定，早期骨关节炎等；进行韧带重建手术，短期效果是比较明显的，长期看法还是不一致。为了降低运动过程中ACL损伤的发生率，理解ACL的损伤机制，Taylor[19]通过动态MRI测量运动（模仿打篮球或踢足球的弹跳运动）过程中ACL的变化，得出结论：ACL在运动过程中，碰地瞬间长度是最长的，随着屈曲角度的增大，长度逐渐减小；ACL所受张力的峰值也出现在碰地之前的一瞬间。由此看出，ACL所受张力峰值和长度最长的时刻都发生在低屈曲角度。

2.3 半月板

半月板垫在股骨内、外侧髁与胫骨内、外侧髁关节面之间，分别为内、外侧半月板，通过增加股骨与胫骨之间的接触面积，起到分散压力的作用，在运动时传递应力并吸收震荡，通过加深胫骨平台而增加膝关节的稳定，并且有润滑关节和营养软骨的作用。在膝关节屈伸过程中，半月板有一定的活动度，并存在生理性周缘性移位，而且移位程度随着年龄的增长而加大，此时虽然半月板组织结构尚完整存在，但是已丧失其正常的解剖位置，无法充分发挥其生理功能，可视为“功能性”半月板切除[20]。

随着膝关节的屈曲，为了适应和传递负荷，半月板向后方移动，外侧半月板比内侧半月板移动距离大，前角比后角移动范围大，因此内侧半月板后角移动范围最小；后移的同时半月板高度有不同程度的增加，半月板的前后径减少；半月板同时还向侧方移动，侧方移动的距离小于前后方向的移动距离；这些变化很可能是由于半月板的运动在很大程度上与股骨髁、胫骨髁的运动和形状相关，同时还与半月板的附着方式及关节囊和周围韧带有关[21]。

半月板损伤和半月板切除都对膝关节运动有着不利影响，半月板切除术后导致骨关节炎已经得到了长期随访的证实，因而半月板损伤的治疗方式就显得尤为重要[22]。Zaffagnini[23]对半月板移植手术和半月板部分切除的患者进行了10年随访，得出结论：进行半月板移植手术的患者无论在疼痛，还是在术后活动能力方面都好于半月板切除的患者。

2.4 软骨

关节软骨起着传递分散压力的作用，外伤或病变后很难恢复，因为软骨本身的修复能力很差，一般都要通过修复或者移植手术来恢复受损的软骨细胞，而对于关节软骨手术的可行性和软骨可塑性的评价，就只能通过MRI了，因为MRI既无侵袭，又能对关节软骨信号、形态都有很高的敏感性，尤其T2 mapping：是一种定量研究关节软骨，反映关节软骨中胶原纤维结构完整性的技术，是关节软骨T2值变化的空间分布图；T2值对软骨胶原基质结构的改变极为敏感，成为研究软骨生化结构的影像标志[24，25]。

而动态MRI更能在运动过程中表现出关节软骨形态信号、所受压力的变化：运动过程中软骨接触区域与非接触区域相比，T2值呈现出非常明显的减小；运动过程中软骨受到挤压（即使没有重力的影响）时，T2值也会有明显的减小，开始只是软骨浅层信号降低，随着压力的增加或者活动度的加大，关节软骨深层的信号也降低，形态也会有所变化，这可能是与软骨中含水量、胶原纤维方向结构有关[24，26，27]。此检查方法的缺陷是患者受到磁体孔径的限制，屈曲角度受限，大约只能屈曲40°左右，再者仰卧的情况下，比站立、走路、跑步等日常生活状态中所受的承重要小一些，因此随着直立开放式MRI在此方面的应用还有待进一步的深入研究。

3 小结

综上所述，动态MRI较常规MRI更能精确反映膝关节在运动过程中的各个解剖结构的动态变化情况，对髌股关节和股胫关节疾病的治疗方案的制定与研究有着重要的指导作用；对半月板与软骨运动过程中形态及压力分布的变化、退变的程度等提供一个影像学理论依据；对研制出更实用的人造膝关节提供更准确可靠的生物力学基础，延长假体的远期使用寿命，指导膝关节的假体置换等有着重要的意义。但是尚存在一定的不足，膝关节在仰卧的情况下忽略了重力对关节的影响，随着直立开放式MRI的广泛应用，患者就可以在直立负重自然生理状态下进行动态检查，更接近于真实的生理病理状态，检查结果也更加准确可靠。

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