MRI评价前交叉韧带重建术后移植物成熟度的研究进展

王博 潘诗农*

前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）是稳定膝关节的重要结构，其损伤在运动医学中最常见，采用肌腱进行移植的重建手术是目前常规治疗方法,病人接受ACL重建手术后能及早康复和重返运动是手术成功的标志，而过早地运动及提高体力工作强度会增加再受伤的风险。移植物的愈合过程是因人而异的，有部分病人在术后2年仍然无法完全恢复ACL的力学负荷要求[1]。由于缺乏统一、定量、无创的评估指标，目前移植物成熟度主要根据手术时间进行估算，但这难以精确地评价每例病人的愈合程度。采用MRI评价移植物成熟度是近年研究的热点，因此本文针对该方面的研究进展予以综述。

1 移植物成熟的组织学机制

在ACL重建术后，原有的ACL被游离的肌腱移植物所替代，移植物愈合有2个主要过程，分别为移植物与骨隧道的“肌腱-骨愈合”和关节内移植物的“韧带化”。移植物的“韧带化”一般可以分为3个阶段[2]：①早期炎症阶段,指术后前4周，移植物出现中心坏死、细胞数目减少，周边的关节液、ACL残端及来自孔道的骨髓成分细胞大量流入移植物的周围。②血运重建阶段,ACL重建术后4～12周，移植物坏死导致生长因子释放，刺激细胞的活性变化、细胞外基质合成和血运重建。肌成纤维细胞数量增加，提供后期韧带化阶段所需的原位张力[3]。由于胶原结构和卷曲模式的改变及胶原纤维的密度减低，移植物在6～8周时的机械强度最弱。③后期重塑阶段，指ACL重建术12周以后，细胞数量及血供在3～12个月间缓慢恢复。经历一系列未知的生理变化后，移植物完全成熟，已达到完整ACL的形态和机械强度，即“韧带化”。在光学显微镜下，无法从外观鉴别成熟的移植物和正常的ACL，但在电子显微镜下，从超微结构水平上移植物显示出典型的大直径胶原纤维的缺失，大部分胶原纤维直径＜50 nm，从而导致小直径胶原纤维的单峰分布，而非正常ACL的双峰混合分布模式；经过术后2年该超微结构不再发生明显变化[4]。完整ACL胶原纤维的直径不均一性永远无法恢复。移植物在体内完全成熟所需的最短时间尚不明确，目前也缺乏判断移植物完全成熟的客观指标。

2 MRI对评价移植物成熟度的应用价值

2.1 常规MRI分析 以往动物实验研究[5]表明，MRI有助于预测ACL重建术后移植物的生物力学及组织学特性，MRI信号强度（signal intensity，SI）的测量也越来越多地应用于临床研究，测量SI方法主要应用于质子密度加权像 (proton density weighted image,PDWI)及 T2WI。 Howell等[6]首次提出 MRI分级系统，将ACL重建术后移植物测得的信号分为低、中、高，其中SI越低，ACL移植物的成熟度越高。有研究[7-9]显示，在术后6个月时移植物SI达到峰值，随后逐渐下降；但由于SI的高低受MRI采集参数、扫描设备特性及病人位置等因素的影响，SI不能对生物的组织特性进行绝对量化。为了对移植物的SI灰度进行标准化，多数研究[7,9-10]使用信噪比（signal-to-noise quotient，SNQ）进行测量，具体计算公式为 SNQ＝（SI移植物-SI股四头肌肌腱）/SI背景噪声；亦可以为 SNQ＝（SI移植物-SI后交叉韧带）/SI背景噪声[8,11]。 值得注意的是，传统上使用单个图像测量单独信号和噪声确定SNQ的方法通常存在偏差，因为噪声的分布由空间不断变化的几何因素决定，并受线圈几何形状及加速度因素等参数的影响，背景噪声兴趣区（ROI）位置的选取也会影响SNQ。因此，应在多线圈多通道并行采集下，使用基于2次重复采集的图像差分法来消除环境的影响，以降低偏差[12]。另外，目前的研究大多使用背景噪声的平均值来标准化移植物的信号，但Den Dekker等[13]建议使用背景噪声的标准差进行计算，因为其数值的稳定性更高。除了测量 SNQ，另有研究者[14-15]通过计算 SI移植物与 SI后交叉韧带的比值以及计算SI移植物与SI股骨骨皮质的比值的方法来评价移植物的成熟度。

在应用SI测量时还应注意MRI“魔角效应”（magic angle effect，MAE）的影响，MAE 通常出现在肌腱和韧带等富含高度有序的胶原结构中，当其走行方向与磁场方向夹角约55°时，T2WI信号增高；当两者方向平行时，SI减小[16]；而且在短回波时间（TE）成像时，能够观察到MAE的角度范围增大。Chen等[8]与Sim等[14]都对移植物弯曲角度与移植物成熟度间的相关性进行研究，所得到的结果不同，这可能说明在扫描过程中不同的移植物可能因为其不同的角度发生MAE，从而影响研究结果。另外，采用常规MRI序列进行的影像分析缺乏足够短的TE，无法检测出反映移植物胶原结构的胶原相关水信号，这些研究可能受移植物成熟过程中移植物周围血管形成的影响较大[17]。

常规MRI较少应用于ACL重建术后的临床功能监测及预后预测，目前尚未发现移植物T2WI的SI可以应用于预后的报道，只有Biercevicz等[15]研究认为使用梯度回波成像T1WI-3D序列测得的移植物体积结合SI的中位数可以预测术后病人3年及5年的生活质量、运动功能及膝关节松弛、疼痛等预后情况。

2.2 MRI定量和半定量分析 与常规MRI相比，MRI定量分析方法可以量化组织的弛豫时间，并受图像采集参数变化的影响较小，可重复性较高。

2.2.1 T2*mapping T2*值可通过测量质子的自旋-自旋作用反映胶原结合程度及胶原纤维排列方式，可以反映胶原组织、水合作用和局部磁环境的组织特性。Biercevicz等[5]进行动物实验研究，通过韧带体积及其T2*值直方图将每个愈合中的韧带体素分为4个由特定T2*值间隔的子体素，发现ACL横断术后52周时韧带的T2*值与韧带子体素的线性组合可以准确预测韧带的最大载荷、屈服负荷和线性刚度3种力学特性，并发现短T2*值（0～12.5 ms）的子体素在预测力学特性方面最为重要。在此基础上，有研究者[18]进行了基于多元回归模型的6、12及24周纵向研究，发现结合愈合时间及短T2*值 （0～12.5 ms）及长 T2* 值（37.6～50 ms）的子体素变化模型能更好地预测愈合过程中的力学特性，其中长T2*值（37.6～50 ms）的子体素在愈合早期尤为重要。这也表明胶原的有无组织性、数量及数量随时间的变化均是预测ACL愈合的力学特性的必要因素。但是已有研究[19]证实人体移植物韧带化速度较动物慢，此模型能否应用于人体移植物愈合仍然未知。

2.2.2 超短回波时间（ultrashort echo time，UTE）成像序列 回波时间＜1 ms的UTE成像是一种新的定量成像技术，应用半射频脉冲、放射状K空间填充、短矩形硬激发脉冲和数据三维放射状采集技术实现3D-UTE序列。以往的UTE-T2*研究[17]表明，它对胶原基质的完整性和组织结构敏感，特别在关节软骨的深部及半月板等致密规则的结缔组织中可发现大量的短T2*信号，这些组织中的UTE-T2*值通常随着退化程度的增加而升高[20]。Chu等[21]研究发现，UTE-T2*和T2*值在ACL重建术后6周时低于未损伤的ACL，于6个月内持续升高，并达到正常ACL水平，在6个月至1年中稳定，在术后1～2年明显下降，这与已知的ACL移植物组织学阶段对应。T2*升高阶段可能代表移植物的胶原基质紊乱。随着胶原组织的成熟，紧密的结合水的比例增加，UTE-T2*和T2*值出现降低阶段，在稳定期中2个过程同时存在。UTE-T2*和T2*值可能是一种可靠的评价移植物成熟度的无创成像指标。但是，双指数模型UTE扫描时间过长，尤其在需要多重复时间扫描时，病人往往难以忍受。近期Fukuda等[22]提出一种简化定量UTE范式，通过半正弦射频脉冲激励、减少沿层面选择方向的视野来减少沿K空间Z轴方向获取的视图数量，使MRI采集总时间少于8min，并发现可在此基础上通过计算移植物的快速衰变成分 T2* 值（T2*for fast decay component，T2S*）和结合水信号分数（bound water signal fraction，fbw）来准确评估成熟度，该研究还发现在骨隧道内部移植物的T2S*及fbw在术后3～6个月增加，这种变化在关节内移植物中未观察到，可能表明骨隧道内与关节内的移植物存在不同的成熟过程，尚需要进一步研究。

2.2.3 扩散张量成像（DTI） 基于MRI的DTI可以监测水分子的随机运动，进而无创地显示组织的微观结构，常用评价参数有部分各向异性分数（FA）、平均扩散率（MD）等。在肌腱和韧带上应用DTI技术具有挑战性，因为这些组织的体积较小、T2值短，而且膝关节的解剖结构复杂，会引起磁场B0的变化，进而产生磁敏感伪影，影响影像质量，特别在髁间窝及ACL的嵌入部分[23]。Yang等[24]和van Dyck等[25]的研究均表明应用3D纤维束成像进行DTI检查可以稳定地评价移植物的成熟度，但2项研究对于移植物的平均FA值和MD值测量结果有差异，可能是由于2项研究选取ACL重建术后时间不同，也可能是由于2项研究使用的MRI设备及参数不同，这在一定程度上反映了移植物不同成熟阶段的某种真实差异。对于韧带和肌腱的最佳DTI参数如b值、扩散加权采集的数量及方向的选择目前仍存在争议。van Dyck等[25]建议采用更强大的梯度系统[梯度场强 80 mT/m，梯度切换率 200 T/（m·s）]、较短TE（45 ms）进行ACL重建后的采集，这不仅能够提高SNQ而且减少了磁敏感伪影，但同时也带来了一些技术挑战。

2.2.4 T1ρmapping 有研究[26]表明 T1ρ值对蛋白多糖含量的变化敏感，目前在骨肌系统中大多数应用于软骨，特别适用于早期退变。在术后3～6个月移植物表面滑膜出现微血管的广泛覆盖，这可能掩盖移植物肌腱部分的信号，采用PDWI序列观察可能会受此影响。而采用T1ρ序列的彩色编码图像可以分离周围滑膜组织，较容易地将ROI设置在ACL的前内束与后外束的纯肌腱部分。近期有研究[27-28]发现，移植物T1ρ值和T2值在术后1年内逐渐降低，而且T1ρ值的变化趋势比T2值更加突出和一致。术后2年的测量值与多个膝关节损伤及骨关节炎评分 （the knee injury and osteoarthritis score，KOOS）指标相关，T1ρmapping有潜力成为特定的康复治疗指标之一，但2项研究的样本量均较少，尚需大样本的研究证实。

2.2.5 动态增强磁共振成像 （DCE-MRI） 多项研究[29-31]采用对比剂Gd-DTPA进行DCE-MRI扫描，增强MRI更针对血运情况，是评估ACL重建术后移植物血运重建进展的有效方法。Muramatsu等[29]研究表明，利用DCE-MRI得到的同种异体移植物血运重建较自体肌腱血运重建要慢。Ntoulia等[31]的定量分析发现，在术后6个月，关节内移植物及其周围的富血管组织区域组织出现的强化程度最显著、强化横断面范围最大，随后这2项参数值逐渐降低，整个变化过程与时间变化密切相关；而且对于骨隧道两端的移植物而言此过程进行较缓慢，2项参数的峰值出现在术后1年。Ntoulia等还发现在不同周围微环境中，各组织会对移植物的血运重建产生不同影响。增强MRI可能在观察移植物周边供血微环境、不同移植物选择影响血运重建方式等方面具有更大的价值。

3 小结

综上所述，MRI是ACL重建术后的重要检查方法。近年MRI不同序列、不同成像方法及不同的分析方法提供了多种方式来分析移植物的解剖位置、韧带化程度、血运重建程度、力学特性及预后，通过使用不同的MRI技术对移植物的成熟过程有了一些新的理解，如移植物周边微环境的影响及关节内与骨隧道内部移植物的成熟过程不同步等；但大多数研究主要针对单一技术，缺乏对各种技术的全面比较及评价，缺乏特定技术的最佳扫描参数。随着研究的进一步深入，MRI在ACL重建的治疗及康复训练指导中将起到更重要的作用。