T2-mapping评估前交叉韧带重建术后膝关节软骨变性的定量研究

胡忆文，陶虹月，乔洋，华英汇，陈爽

前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)损伤是一种常见且严重的膝关节损伤，其中ACL损伤合并半月板撕裂的患者大于40%[1]。ACL损伤会导致反复发生的膝关节不稳和关节软骨进行性退变[2]；而相对于ACL单纯损伤，ACL损伤合并半月板撕裂的患者发生骨性关节炎(osteoarthritis，OA)的概率更高[3]。因此，为了延缓关节结构的进一步损伤，临床上通常采用前交叉韧带重建手术(anterior cruciate ligament reconstruction，ACLR)进行治疗，以恢复膝关节的生物动力学稳定性[4]；同时应用半月板缝合术或半月板成形术，以恢复ACL损伤合并半月板撕裂患者半月板的结构稳定性。然而大量研究表明ACLR虽然可纠正ACL损伤所造成的胫股关节相对位置变化，但无法完全恢复ACL的功能及有效恢复膝关节动力学，因而术后OA的发病率仍较高[5,6]。ACLR术后10～15年，OA发病率高达85%，且患者的平均发病年龄早于原发性OA15～20年[7,8]。因此，早期诊断及干预膝关节软骨退变对改善ACLR术后患者的预后至关重要。

近年来MRI广泛用于检测关节损伤，但传统MRI局限于评价相对晚期的软骨形态学改变，而定量MRI的发展使无创性评价软骨生化构成及超微结构变化，早期检测软骨变性成为可能[9]，如T2-mapping对胶原纤维网含量、排列方式及水含量改变具有较高的敏感性[10]。因此本研究应用T2-mapping评价ACLR术后1年内膝关节软骨生化改变，分析半月板成形术对膝关节软骨生化改变的影响，旨在探讨T2-mapping在早期检测膝关节软骨退变中的临床应用价值。

材料与方法

1.病例资料

本研究纳入100例来我院运动医学科就诊并进行ACLR手术的单侧ACL损伤患者(其中含ACL合并半月板损伤患者76例)及23例健康志愿者(A组)。患者纳入标准：年龄16～45岁；体质指数(body mass index，BMI)为18～30 kg/m2；术中关节镜下软骨Outerbrige分级为0～Ⅱ级；无对侧膝关节外伤史，且对侧膝关节的临床症状、体格检查和X线检查均无明显异常。排除标准：ACLR合并半月板全切术患者；患侧膝关节同时伴随其他韧带损伤；伴随术后并发症；患侧膝关节有类风湿性关节炎及其他炎性疾病病史、外伤史或手术史。以上纳入研究的患者在术后无患侧膝关节二次损伤史及对侧膝关节外伤史。纳入的健康志愿者在性别、年龄、BMI上与患者相匹配，且无双侧膝关节OA及感染性关节炎病史、外伤史、手术史。

将100例ACLR患者按照术后时间分为术后3个月组(B组，30例)、术后6个月组(C组，32例)及术后12个月组(D组，38例)；进一步按照半月板术后完整性将患者分为半月板完整组(包括半月板正常及半月板缝合术，41例)及半月板部分切除组(半月板成形术，59例)。100例患者及23例健康志愿者的一般病例资料见表1。

表1 患者一般病例资料

表2 各MRI序列扫描参数

2.手术方法

所有ACLR手术由一位高年资运动医学科医生在关节镜下完成。除移植物来源，每位患者均采用标准双束解剖性ACLR术式，股骨端EndoButton(Smith-Nephew公司，美国)悬吊固定，胫骨端Bio-Intrafix(Mitek公司，美国)固定，均使用腘绳肌-半腱肌肌腱为移植物。ACL损伤伴半月板撕裂患者采用半月板缝合术或半月板成形术进行修复。术后所有患者均遵循标准康复计划进行复健。

3.检查方法

对所有患者患侧及志愿者单侧膝关节进行MRI扫描。MRI扫描采用德国Siemens Verio 3.0T高场MRI和8通道膝关节线圈。所有受检者于MRI扫描前休息至少30 min。扫描时患者仰卧位足先进，膝关节处于完全伸直位。形态学扫描序列包括：轴面、矢状面FS-PD序列，冠状面STIR序列，用以评价软骨、韧带和半月板形态。采用矢状面T2-mapping序列进行膝关节软骨生化成像。各序列的扫描参数见表2。

4.软骨分区和定量测量方法

将膝关节软骨分为6个感兴趣区(region of interest，ROI)：股骨内侧髁(medial femoral condyle，FM)，股骨外侧髁(lateral femoral condyle，FL)，胫骨平台内侧(medial tibial plateau，TM)，胫骨平台外侧(lateral tibial plateau，TL)，股骨滑车(femoral trochlea，TrF)，髌骨(patella，P)。进一步将股骨内外侧髁软骨以半月板为参照分为4个亚区，每个亚区代表不同的软骨承重状态：FM承重区或FL承重区为半月板前角至半月板后角上下所对应的关节软骨区；FM非承重区或FL非承重区为半月板后角以后的关节软骨[11,12](膝关节软骨分区见图1)。

将所有MRI图像输入PACS图像处理软件，于拟合所得T2-mapping图上分别选取膝关节内外侧2～3个连续矢状层面进行ROI软骨测量。所有ROI测量由一位骨肌放射医师人工独立勾画且对该研究者设盲。勾画ROI时尽量避开软骨下骨板和关节液。去除极值后，所得连续层面T2平均值即为对应ROI的T2值。并运用以下公式计算胫股关节软骨总T2值：T2总=(T2FM负重区+T2FM非负重区+T2TM+T2FL负重区+T2FL非负重区+T2TL)/6。应用Siemens工作站上的NUMARIS/7和SyngoMR B17软件重建得到T2-mapping色阶图。

5.临床评分

采用主观国际膝关节文献委员会(International Knee Documentation Committee,IKDC)膝关节评估表对ACLR术后患者的膝关节功能恢复情况进行评价。对每个项目的评分求和，并将总和按下述公式换算为百分制。最高分为100分，表示无症状、运动正常。IKDC评分=(评分总和-最低可能评分)×100%[13]。

6.统计学分析

采用SPSS 23.0软件进行统计学分析。采用单因素方差分析比较A、B、C、D四组患者膝关节各软骨区域的T2值差异及B、C、D组间的IKDC评分差异。采用独立样本t检验比较半月板完整患者与半月板部分切除患者的胫股关节总软骨T2值差异。以P<0.05为差异有统计学意义。

图1 膝关节软骨分区。a) 膝关节胫股关节内侧。FM：股骨内侧；TM：胫骨内侧； b) 膝关节胫股关节外侧。FL：股骨外侧；TL：胫骨外侧； c) 以半月板为标志物，半月板前角至半月板后角间区域所对应软骨为膝关节股骨负重区(FM1)，半月板后角以后软骨区域为股骨非负重区(FM2)； d) 膝关节髌股关节。P：髌骨；TrF：股骨滑车。

表3 患者及健康志愿者的膝关节软骨T2值 (ms)

结 果

B、C、D组FM负重区、FL负重区、TM区域的软骨T2值均大于正常对照组，差异均具有统计学意义(F值分别为13.372，14.647，6.156；P值均<0.05)；D组FM负重区的软骨T2值高于B组(P=0.004)，C组FL负重区的软骨T2值高于B组(P=0.025)，C、D组TM区域的软骨T2值高于B组(P值分别为0.043、0.030)。ACLR术后FM、FM非负重区、FL、FL非负重区、TL、P、TrF区域的软骨T2值与对照组比较，差异均无统计学意义(P值均>0.05，表3)。B、C、D三组患者IKDC评分的平均值分别为(44.23±8.62)、(51.16±9.59)、(61.42±5.43)，患者临床评分逐渐升高，且差异具有统计学意义(F=40.656，P<0.001)。ACLR术后，半月板部分切除组患者胫股关节总软骨T2值均高于半月板完整组，但差异无统计学意义(F值分别为0.001、0.022、0.444、0.001；P值均>0.05，表4)。T2-mapping色阶图见图2～5，由T2-mapping色阶图可以看出，胫股关节内侧及外侧红色区域扩大且主要集中于负重区软骨，而髌股关节软骨未显示出显著差异。

讨 论

ACL在维持关节的稳定性方面发挥至关重要的作用，是抵抗胫骨外侧前移和限制胫骨内侧移位的重要结构[14]。ACL损伤患者膝关节不稳定性增加，造成膝关节软骨机械应力大小及位置异常进而发生退变[15]。ACLR手术虽可恢复膝关节稳定性，然而大量研究表明ACLR并不能完全恢复ACL的正常解剖位置，移植物很难重获具有正常机械功能的3D解剖结构[16]。多项长期随访研究发现，术后10～15年50%的ACLR患者出现OA。相关学者对术后15个月的关节镜进行研究，发现45%的患者表现出软骨退变，如软骨软化和纤维化。因此，对关节软骨退变的早期诊断及干预显得尤为重要。近年来定量MRI技术发展迅速，出现了大量用于检测软骨生化结构改变的成像手段，且检出时间远远早于平片或传统MRI[17，18]。多项研究表明T2-mapping可用于评价关节软骨的早期退变。早期软骨退变表现为胶原纤维松弛、浓聚、排列紊乱，蛋白多糖丢失，含水量增多和软骨分层结构消失[19]。软骨中的自由水含量、胶原纤维结合水分子含量及关节软骨中胶原纤维排布情况都将影响T2值[20]，这使得T2-mapping对发现软骨早期退变较其他成像手段更为敏感。因此，本研究将T2-mapping作为一种定量检测方法，探究ACLR术后1年内的膝关节软骨生化改变。

图2 健康志愿者膝关节矢状面T2-mapping图。a)髌股关节；b)胫股关节内侧；c)胫股关节外侧。 图3 ACLR术后3个月患者膝关节矢状面T2-mapping图。a)髌股关节；b)胫股关节内侧；c)胫股关节外侧。

分组半月板完整组半月板部分切除组F值P值B组33.80±3.1636.14±3.220.0010.059C组35.69±3.4436.84±3.540.0220.371D组36.51±2.9736.62±3.880.4440.924B+C+D组35.46±3.3036.54±3.530.0010.123

1．T2-mapping定量评价ACLR术后早期软骨改变

本研究结果显示，FM负重区及TM区域的软骨T2值在术后逐渐增高，表明ACLR术后早期胫股关节内侧负重区软骨发生退变。其他多项6～36个月的术后随访研究同样发现胫股关节内侧区域的软骨T2及T1ρ值高于基线水平[8,21]。大量人体和动物试验表明ACLR术后膝关节机械动力学异常与术后随访过程中患者膝关节软骨退变的进展相关[22]。相关下肢3D动力学研究发现，ACLR术后6个月时患者行走中膝关节屈曲角度增加，内收及过屈时间延长，从而导致胫股关节内侧负重增加，进而引起软骨退变[23]。本研究同样支持以上观点，并且进一步发现术后1年内膝关节动力学异常所造成的软骨退变主要发生于负重区。

ACLR术后FL负重区软骨T2值逐渐增高，ACLR术后3个月，FL负重区软骨T2值显著升高，而6个月及12个月时T2值无统计学差异，表明FL负重区软骨发生退变，术后6～12个月时退变进展不明显。急性ACL损伤易造成胫股关节外侧骨挫伤，因而造成该区域软骨T1ρ及T2值升高，组织学发现该区域软骨基质蛋白多糖含量降低[8]。FL负重区软骨退变表明股骨外侧负重区的软骨损伤在术后尚未完全恢复。Potter等[24]应用修改版Outerbrige评分及T2-mapping评价ACLR术后FL区域软骨，发现ACLR术后1年FL区域软骨损伤的风险增加一倍，进一步支持了本研究应用T2-mapping得出ACLR术后FL负重区软骨发生退变的结论。

图4 ACLR术后6个月患者膝关节矢状面T2-mapping图。a)髌股关节；b)胫股关节内侧；c)胫股关节外侧。 图5 ACLR术后12个月患者膝关节矢状面T2-mapping图。a)髌股关节；b)胫股关节内侧；c)胫股关节外侧。

此外，在本研究中虽然膝关节负重区软骨发生退变，但患者术后IKDC评分逐渐升高，表明患者临床症状及体征持续改善。临床上软骨早期退变因患者临床症状的改善而易被忽视。本研究结果表明T2-mapping可以早期诊断术后膝关节软骨退变，从而指导临床治疗，因而具有重要临床价值。

2.半月板完整性对软骨T2值的影响

在ACLR术后不同随访时间点，半月板成形术患者的软骨T2值均高于半月板完整的膝关节软骨，但差异均无统计学意义。一项纳入2487例创伤性半月板撕裂的随访研究发现，相对于半月板部分切除的患者，半月板缝合术患者发生OA的风险下降25%～50%[25]。Michalitsis等[26]对ACLR合并半月板手术术后2年的随访研究亦发现半月板部分切除患者的膝关节软骨病变数量大于半月板缝合及半月板正常的ACLR患者。本研究中ACLR术后早期半月板成形术患者胫股关节退变与半月板完整患者的差异虽无统计学意义，但仍需延长随访时间后进一步研究。

本研究存在以下局限性：①本研究仅对ACLR术后早期患者进行随访，膝关节软骨的远期改变需要进一步研究，在后续研究中笔者将一步延长随访时间，以探究ACLR及半月板成形术后膝关节软骨的远期改变；②未完全排除移植物类型，患者的性别、年龄及BMI对软骨变性的影响，在接下来的研究中笔者将进一步扩大样本量，探究多种因素对ACLR术后膝关节软骨退变的影响。

综上所述，在ACLR术后的早期随访中，虽然患者的临床症状及体征显著改善，但膝关节软骨呈现退变趋势。此外，术后早期半月板成形术对膝关节软骨退变的影响与完整半月板无明显差异，但需要更长期及更大样本量的随访以评价半月板成形术对软骨的远期影响。T2-mapping作为一项无创性生化成像技术，使得早期检测软骨退变成为可能，具有广阔的临床应用前景。