膝关节肌腱和韧带的MRI 新技术应用进展

张懿 姚婉贞 张晏境 丁建平

肌腱和韧带是膝关节的重要组成结构，共同维持膝关节结构和功能的稳定性。由于肌腱和韧带过度使用或损伤会使其组织结构发生改变，从而影响膝关节的功能。目前，MRI 是无创性检测肌腱和韧带的常用技术，但由于肌腱和韧带在常规MRI 上多呈低信号而影响内部结构的显示，因此诊断准确率不高。随MRI 新的技术和序列越来越多地应用于肌腱和韧带，使得对其结构的显示、损伤程度的评估及预后疗效的评价愈加优化。本文就近年膝关节肌腱和韧带的MRI 研究进展予以综述。

1 膝关节肌腱和韧带的组织结构及功能

膝关节肌腱和韧带主要包括股四头肌腱（quadriceps tendon，QT）、髌腱、交叉韧带、胫腓侧副韧带，以及前外侧韧带、髌股韧带、腘肌腱、腘腓韧带、弓状韧带、豆腓韧带、胫骨后韧带等。膝关节肌腱和韧带的组织学结构主要由Ⅰ型胶原（约占干质量的80%）、水（约占湿质量的60%）及其他胶原、蛋白聚糖和成纤维细胞组成，其主要功能是将肌肉产生的负荷从肌肉传到骨或从骨传到骨，共同维持膝关节结构和功能的稳定性，其中胶原纤维是维持这种力学性能的重要成分[1]。

前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）起于胫骨髁间嵴的前外侧面，向后上方走行止于股骨外侧髁的后内侧面，主要功能是调节胫骨前移度和部分旋转功能。后交叉韧带（posterior cruciate ligament，PCL）始于股骨内侧髁的外侧面，向后下方走行止于胫骨髁间嵴后部，限制胫骨后移度[2]。髌腱（patellar tendon，PT）是QT 在髌骨下方的延续部分，与QT 共同维持髌股关节稳定性。前外侧韧带（anterolateral ligament,ALL）起自股骨外侧髁，在外侧副韧带和腘肌腱间向前下方走行，远端分别止于外侧半月板和胫骨外侧髁[3]，可分为股骨部、半月板部和胫骨部。近年关于ALL 的MRI 研究一直备受关注，认为ALL 是膝关节外侧稳定结构之一[3]，但尚不能明确其生物力学功能。膝关节后外侧角（posterolateral corner,PLC）主要由腓侧副韧带、腘肌腱、腘腓韧带、弓状韧带、豆腓韧带及位于深层的后外侧关节囊组成，这些肌腱和韧带的大小、走行各异，但对维持膝关节结构和功能的完整性和稳定性起着重要作用[4]。

2 MRI 在膝关节肌腱和韧带中的应用

2.1 常规MRI 的应用及限度 膝关节的常规MRI检查包括3 个标准断面（正横断面、正矢状面、正冠状面），斜矢状面、斜冠状面的T1WI，T2WI 抑脂，质子密度加权成像（PDWI）抑脂等序列。在这些序列中，肌腱和韧带多表现为具有连续走行的低信号，损伤时可表现为局部信号增强或形态肿胀，断裂时可见局部走行中断。其中，斜矢状面是以标准矢状面扫描线内旋10°～15°确定定位线进行扫描，斜冠状面通常以平行于斜矢状面中ACL 中间纤维束的斜行方向进行扫描。以往研究[5-6]显示，斜矢状面、斜冠状面序列较常规断面进一步提高对交叉韧带损伤的诊断准确度，可达93.88%，并降低漏诊率；但同时研究[5]也表明这些斜位序列对韧带完全和部分撕裂的鉴别诊断仍具有局限性。

目前，采用常规MRI 序列对ALL、PLC 的研究较多。有研究[7-8]表明，常规MRI 对ALL 半月板部和胫骨部的显示率较高，但对ALL 股骨起点分辨不清，且ALL 与外侧半月板存在附着点，其中以冠状面PDWI 对ALL 的显示效果最佳。不同研究对ALL各部分的显示率也各不相同，可能与扫描序列参数的选取、图像后处理技术不同有关[8]，尚需就MRI 对ALL 显示的准确性做进一步研究。目前也尚无与ALL 病理相关的影像学研究，仍在使用其他韧带的损伤标准来定义ALL 损伤，关于ALL 的病理改变与影像表现的相关性研究也是将来的研究重点之一。常规冠状面及斜矢状面PDWI 可以清晰显示PLC 中腓侧副韧带、腘肌腱、腘腓韧带的走行[4]，但对弓状韧带及小豆腓骨韧带的显示率不高，这可能是由于这些韧带结构较小且走行变异较多，以及常规MRI 序列扫描层厚较厚及存在容积效应。

常规MRI 对于肌腱和韧带发生慢性损伤或退变时的及早预判也具有局限性。Cook 等[9]研究认为肌腱和韧带损伤发生的病理改变在早期（反应期及损伤初期）可逆，主要为胶原纤维生化结构的轻度改变，可无明显临床症状，若进展为病变晚期(损伤末期及退变期)则不可逆，出现肿胀、断裂等形态改变。若能及早对肌腱和韧带的结构变化进行检测将有利于损伤的早期诊断及后期治疗和功能恢复，而这对于常规MRI 序列目前尚无法实现。

2.2 MRI 新技术应用 近年国内外的众多研究者将新的MR 定性、定量技术运用于骨肌系统，尤其是运动损伤方面的研究中，如三维MRI（3D MRI），T2mapping、T2*mapping、T1ρ、超短回波时间（ultrashort echo time，UTE）序列，以及扩散加权成像（DWI）和扩散张量成像（DTI）等。这些新技术不但能够提高对膝关节肌腱和韧带损伤的诊断率，而且能够在损伤病变仅出现在组织结构水平而无明显临床表现时进行检测，为损伤提供更早期的预警，也有利于及时的治疗和恢复。

2.2.1 定性诊断 由于膝关节部分韧带形态复杂、走行曲折，常规MRI 很难在同一层面上完整显示其连续结构，往往需要进行多平面的多次采集，耗时较长。而3D MRI 可以通过无间隔的薄层扫描进行高分辨率各向同性采集[10]，在减少部分体积伪影的同时，在任意角度平面上创建多平面重组(MPR)影像或通过旋转曲面重组（CPR）影像，在优化显示韧带复杂结构的同时减少总采集时间，目前在骨关节方面的应用十分广泛。

3D MRI 能够更好地显示膝关节韧带的结构。Klontzas 等[11]首先利用3D 稳态进动结构相干（3Dconstructive interference in steady state，3D-CISS）序列对ALL 结构进行成像，其显示率为92.3%，明显高于常规2D 序列。Zhu 等[12]进一步研究发现基于3D-CISS 序列的CPR 成像对ALL 各部分的显示明显优于基于3D-CISS 序列的MPR 成像及2DPDWI 序列。由于PLC 组织结构多且复杂，部分韧带细小且走行不一，常规序列很难将其正常结构和关系显示清楚。有研究[13]发现，可变翻转角的三维快速自旋回波（3D sampling perfection with application optimized contrasts using different flip angle evolutions，3D-SPACE）序列对腓侧副韧带、腘腓韧带、弓状韧带和小豆腓骨韧带的显示率分别为100%、100%、74.3%和51.4%，显示率显著高于2D序列。Zhang 等[14]利用三维快速稳态进动成像序列（three -dimensional fast imaging with steady -state acquisition，3D-FIESTA）也发现CPR 成像对ACL 结构及分束的显示明显优于斜矢状面的2D 序列。

3D MRI 还能提高膝关节韧带损伤的诊断效能。3D MRI 序列可以提高对交叉韧带部分损伤的诊断敏感度、特异度和准确度，其中三维各向同性快速自旋回波（3D isotropic three-dimensional fast spin echo，3D-FSE）Cube 序列对ACL 部分撕裂的诊断敏感度、特异度及准确度分别为95%、95%和85.9%，明显高于常规2D 序列[15-16]。Ahn 等[17]也发现3D SPACE 序列较2D MRI 提高了对PLC 韧带损伤、撕裂的诊断准确度，在2D 序列上这些损伤会因为周围组织水肿的影响而被漏诊。

另外，有研究[18]报道将3D-SPACE 技术和DTI序列联合应用，在显示损伤ACL 形态的同时也能实现量化评估，明显提高了对ACL 损伤的诊断效能，对ACL 完全撕裂的诊断敏感度与特异度达100%。结合快速成像的压缩感知（compressed sensing,CS）技术的3D Cube 序列可以在不降低信噪比的情况下将扫描时间缩短30%，并对交叉韧带撕裂保持较高的诊断敏感度（75.0%～100%）和特异度（87.5%～100%）[19]。但是，也有研究[20]发现结合CS 技术的3D MRI 虽然对韧带损伤的诊断效能没有影响，但在一定程度上降低了对膝关节各组织结构显示的清晰度，进而影响对韧带病变部位的显示。CS 技术在影像质量上的问题可能是今后研究需要提升和改进的重点。

3D MRI 无论是单独应用还是与一些技术联合应用，在保持对肌腱和韧带较高诊断效能的同时，还具有总时间短、可多平面显示的优势。在今后研究中，如果3D MRI 能在进一步提升影像质量的同时，与其他技术联合进行定性、定量研究，将会具有较高的科研及临床应用价值。

2.2.2 定量诊断

2.2.2.1 T2mapping 和T2*mapping 序列 T2mapping序列属于多回波自旋回波（SE）序列，是目前应用广泛的MRI 定量检测序列之一，其所测得的T2值与兴趣区的组织结构相关[21]，且对图像采集参数的敏感性更低[1]，因此非常适用于高度组织化的胶原结构（如肌腱和韧带）的成像。T2*mapping 序列属于梯度回波（GRE）序列，与T2mapping 相比，T2*mapping使用的回波时间（TE）更短，所测得的T2*值与组织结构中水和胶原纤维的相互作用及含量相关[1]，能更好地表征韧带和肌腱组织。目前，随着影像技术的发展，在以往较多尸体和动物膝关节韧带和肌腱模型实验结果的基础上，基于临床活体膝关节韧带、肌腱的研究类型也越来越丰富。

T2mapping 和T2* mapping 可以量化正常及损伤的肌腱、韧带结构，通过对比两者T2值和T2*值的差异，有助于对损伤的早期诊断。有研究[22-23]发现，正常PCL 不同区域间的T2值存在差异，其整体及3 个亚区（远端、中端、近端）的T2值分别为（31±5）、（37±9）、（29±7）、（30±7）ms；在瘢痕变性改变前期，PCL 整体和近端区的T2值明显高于上述正常值，分别为（36±9）、（41±16）ms。因此，发生损伤的PCL 在出现形态学改变之前，其T2值差异有助于对损伤的具体定位，将来若进一步评估韧带不同损伤部位与T2值之间的相关性，可以更加突出T2mapping的诊断价值。Schmitz 等[24]在对正常ACL 的研究中还发现，男性ACL 远端区的T2值较女性的大，且男、女远端区的T2*值都明显大于近、中端区。由于T2值的增加与组织内含水量的增加及胶原方向的改变有关，常提示细胞外基质组织结构较差[22,25]，因此可以认为正常ACL 远端区受人体负荷的影响比近、中端区更大，尤其男性ACL 远端区受负荷的影响较女性更大，从而导致ACL 远端区组织结构更易发生改变。

T2mapping 和T2*mapping 不仅可以量化损伤，还可用来评估膝关节主要韧带的力学性能。有研究者[26]通过对ACL、PCL、胫腓侧副韧带进行定量MRI参数（T2*、T1ρ、T2）测定和拉伸试验后发现，膝关节韧带的力学特性（刚度和初始破裂力）与MRI 参数（T2*、T1ρ、T2）值之间存在线性相关（R2=0.60），研究表明定量MRI 参数对评估韧带力学性能具有可行性。

目前国内外应用T2mapping 和T2*mapping 序列对膝关节肌腱和韧带组织的研究相对较少，随着影像技术和设备的发展，将这些定量技术运用于肌腱和韧带损伤后生化结构、生物力学性能的变化或者是对特定运动损伤进行相关研究，将会得出更多更有价值的成果。

2.2.2.2 UTE 序列 由于肌腱和韧带的T2值非常短（2～8 ms），常规MRI 上很难显示其内部结构及病变[27]。UTE 序列是一种基于GRE 的成像技术，通过使用短射频（RF）脉冲，使短T2组织快速成像，因此能清晰显示肌腱和韧带的内部组织结构。结合UTE的T2*mapping 与传统T2*mapping 类似，是基于一系列不同短TE 的成像方式。同时，双组分UTE T2*mapping 较单组分UTE T2*mapping 可以进一步提高分析的敏感性和特异性，其参数值会随肌腱部位的不同而变化，并且与肌腱的成分相关。目前已有越来越多的研究将UTE 技术和双组分T2*分析相结合用于肌腱和韧带方面的研究。

UTE T2*mapping 在用于膝关节定量研究的同时还可更为清晰地显示肌腱和韧带的内部结构。与单组分UTE T2*mapping 相比，双组分UTE T2*mapping能够对PT、ACL、PCL 进行更高分辨率的T2*mapping成像[28]，并对其中的结合水和游离水及其相对比例进行定量测量，如正常PT 采用双组分分析测得的平均短弛豫值（T2，s*）、长弛豫值（T2，l*）、短弛豫水组分比例（fs）分别为1.5 ms、30 ms、80%[29]，成像方式明显优于单组分分析。一些相关研究[30-31]也表明UTE技术在膝关节肌腱和韧带成像方面具有更高的信噪比、更少的重叠伪影、更短的扫描时间等。

UTE T2*mapping 不仅可以提高肌腱和韧带的成像性能，其测得的定量值还可以作为一种检测损伤病变的可靠指标。Kijowski 等[32]研究发现，正常PT测得的T2*值、快速弛豫大分子结合水组分（T2*F）值、慢弛豫大分子结合水组分（T2*S）值、快速弛豫大分子结合水组分分数（FF）分别为2.0 ms、1.5 ms、23.1 ms、79.5%，而发生病变的PT 上述各值依次为3.1 ms、1.9 ms、22.3 ms、75.5%，其T2*值、T2*F 值较正常PT 显著升高，FF 值较正常PT 显著降低。结合肌腱的病理生理改变，说明发生病变的PT 中胶原蛋白结构及含量、含水量等微观成分的变化会引起UTE T2*值的变化。由此可见，UTE T2*mapping 作为一种早期检测病变肌腱结构和微观组分变化的定量MRI 技术具有很大的应用前景。

另外，UTE T2*mapping 还可应用于韧带损伤术后对移植体成熟度的定量检测。有研究[33]发现，ACL重建术后6 个月时的移植体T2*值较术后6 周时增加了25%～30%，并在6 个月至1 年保持稳定，随后在1～2 年间下降19%，这一结果与以往研究[34]对ACL 移植体组织学的重塑、成熟的时间框架相符合，表明ACL 移植体在术后6 个月内发生了较明显的变化，并在6 个月到1 年间结构保持相对稳定，随后1～2 年内T2* 值逐渐下降提示移植体逐渐成熟。这项研究揭示了UTE T2*mapping 作为一种无创定量方式评估韧带术后疗效的临床应用价值。

随着研究的不断深入，UTE 作为一种使短T2组织成像的MRI 技术，在骨肌系统尤其是肌腱和韧带辅助定量研究方面将会展现广阔的应用前景。

2.2.2.3 T1ρ序列 T1ρ是基于GRE 或SE 序列的自旋晶格弛豫时间常数，反映水分子与周围大分子物质之间的相互作用，目前骨肌领域在软骨及半月板方面研究较多，可以根据T1ρ值反映软骨及半月板退变，而在肌腱和韧带方面研究非常少。利用绝热全通道脉冲产生T1ρ弛豫的Adiab T1ρ序列是近年出现的一种新的成像技术，将Adiab T1ρ序列与UTE技术相结合的3D Adiab T1ρUTE-Cones 序列，可以使膝关节中的长、短T2组织同时成像。Ma 等[35]在3.0 T MR 设备上应用这一序列对正常的QT、PT、ACL、PCL 进行T1ρ量化测定，其T1ρ值分别为（13.9±0.7）、（9.7±0.8）、（34.9±2.8）、（21.6±1.4）ms。这项研究为今后进一步评估损伤肌腱和韧带的T1ρ值及与正常结构间对比提供了可能性。

2.2.2.4 DWI 和DTI DWI 是通过表观扩散系数（ADC）量化组织中游离水扩散的一种成像技术，目前已广泛应用于中枢神经系统，近几年在骨肌领域的研究也日益增多。定量ADC 值可以明显提高对韧带损伤的诊断效能，其诊断ACL 完全撕裂的特异度为94%、敏感度为96%，均高于常规MRI[36]。

DTI 是基于DWI 原理的一种新技术，通过各向异性分数（FA）值量化组织中水分子扩散的各向异性，以评估组织的微观结构变化。目前在骨肌领域的肌肉方面应用较多，在肌腱和韧带方面研究较少。但DTI 对ACL 前内侧束、后外侧束及移植体均具有优于常规MRI 序列的良好成像效果，并且ACL移植体在不同的病程阶段具有不同的FA 值和ADC值，术后10 年移植体的FA 值显著高于10 年以下的其他移植体[37]。van Dyck 等[38]也得出了类似的结果，但其所测的移植体FA 值较其他研究要低一些，这可能是由于不同研究纳入移植体的移植时间不同或是使用不同的重建软件所致。

尽管一些研究已表明DWI 及DTI 技术对韧带进行无创定量评估具有较好的应用前景，但由于DTI 的b 值选择对影像质量和后处理十分重要，目前还没有研究能明确这项技术评估韧带的最优b值。此外，除了诊断韧带完全撕裂和对移植体的术后评估之外，对韧带部分、完全撕裂的鉴别诊断性能也值得关注。这将是这两项技术在肌腱韧带方面的研究重点。

3 小结

膝关节肌腱和韧带的MRI 评估对于认识其正常结构和诊断异常病变具有十分重要的作用。MRI新技术的运用既可以优化常规MRI 序列对肌腱和韧带形态、结构的成像，提高损伤病变的诊断准确度，也可以通过定量参数分析其内部组织结构甚至生物力学性能，具有丰富的应用前景；但同时部分MRI 新技术也存在一些问题，如3D MRI 序列的影像质量、DWI 及DTI 的b 值选择等。相信随着研究和技术的发展，会有越来越多的MRI 新技术在不断优化后从科研实验走向临床，用于膝关节肌腱和韧带的早期诊断、量化分析以及预后评价。