前交叉韧带损伤重建术后及随访的弥散张量成像观测

王长青， 杨荣丽， 付升旗

1.安阳职业技术学院人体解剖学教研室，河南 安阳 455000； 2.新乡医学院人体解剖学教研室，河南 新乡 453003

前交叉韧带损伤是膝关节常见病变，可以导致膝 关节旋转失衡、骨关节炎、软骨退变等并发症。在关节镜下重建韧带有助于恢复膝关节的稳定性及生物力学特性，已成为治疗前交叉韧带损伤的主要手段[1]。对重建移植物的观测是评价手术效果及预后评估的重要内容，MRI可以较好显示移植物的二维形态及内部结构，是评价前交叉韧带重建术后移植物的有效方法，但是根据MRI信号强度变化进行诊断存在很大的局限性，导致诊断的准确度、特异度较低[2]。弥散张量成像作为一种定量诊断的影像技术，国内外已陆续有报道应用于中枢神经系统或其他软组织病变中，以及应用MRI及弥散张量成像研究前交叉韧带及其损伤的报道[3]，而前交叉韧带损伤重建术后的弥散张量成像研究较少，尚未见到前交叉韧带损伤重建术后的弥散张量成像随访观测[4,5]。本研究采用弥散张量成像技术，对前交叉韧带移植物重建术后不同时期的各向异性分数（fractional anisotropy，FA）和表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC），及其与手术前、正常组进行比较，探讨重建术后不同时期移植物的重塑过程及其与正常组的差异，为临床医师提供预后评估的量化依据。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选取2017年1月至2018年9月期间，因单侧膝关节不适到新乡医学院附属医院影像科就诊采用MRI及弥散张量成像扫描检查正常者为正常组。纳入标准：年龄23～57岁，Lachman试验（-）、抽屉试验（-）、轴移试验（-），无运动障碍等临床表现。排除标准：膝关节畸形、外伤史、手术史、职业运动员和患有全身性疾病、恶性肿瘤等。共纳入100例（100侧），其中男、女性各50例，左侧58例，右侧42例。

选取2017年1月至2018年9月期间，因急性单侧膝关节前交叉韧带撕裂伤在新乡医学院附属医院骨科住院的患者为研究组。纳入标准：（1）膝关节不稳；（2）Lachman试验（+）、抽屉试验（+）、轴移试验（+）；（3）住院前进行MRI及弥散张量成像检查，前交叉韧带的连续性中断或形态异常；（4）对侧膝关节及前交叉韧带正常。排除标准：（1）膝关节畸形和有外伤史、手术史、严重感染史；（2）职业运动员；（3）患有全身性疾病、恶性肿瘤等。共纳入61例（61侧），其中男性23例，左侧10例，右侧13例；女性38例，左侧16例，右侧22例；年龄22～58岁，平均39.6岁。按照关节镜检查的“金标准”[6]，前交叉韧带损伤分为Ⅲ级36例、Ⅳ级25例，采取单束自体肌腱重建术，术后1周、3个月对患者进行弥散张量成像检查，观察手术效果；术后6个月、1年随访检查，其中有7例患者因特殊原因被从随访组中剔除。

本研究获得新乡医学院伦理委员会批准，并取得检查者知情同意。

1.2 研究方法

使用Philips公司3.0T MR扫描仪。MRI扫描参数：PDW-PAIR序列，TE：30 ms，TR：3100 ms，层厚3 mm，层间距0.3 mm，FOV：16 cm×16 cm，矩阵：160×160。弥散张量成像扫描参数：SE-EPI序列，在32个方向施加弥散梯度，弥散梯度因子b=400 s/mm2，TR：2470 ms，TE：79 ms，FOV：16 cm×16 cm，矩阵：128×128，层厚2 mm，层间距0。扫描时间为早晨起床后，避免运动原因造成韧带和移植物内水分的变化。

将弥散张量成像数据输入图像后处理工作站，利用工作站内的软件处理系统，对图像进行背景噪声处理和矫正，生成FA伪彩图和ADC图。在前交叉韧带损伤、重建处设置感兴趣区，利用图像后处理工作站的软件系统，测量感兴趣区的FA和ADC。沿韧带走行方向在前交叉韧带损伤、重建处及其上端、上中部、中部、下中部、下端设置感兴趣区，根据感兴趣区内自动搜索存在的纤维束，按照最短纤维长度=10 mm，最大角度=34°，最小FA=0.15，进行纤维束生成示踪成像。为保证各感兴趣区测量的FA、ADC准确性，由2名医师测量3次取其平均值。

测量前交叉韧带损伤处及正常组相应部位和重建术后1周、3个月、6个月、1年的FA和ADC，观察弥散张量纤维示踪图像的变化。

1.3 统计学分析

应用SPSS 20.0统计学软件进行数据分析，前交叉韧带Ⅲ级与Ⅳ级损伤重建处的FA值、ADC值比较采用t检验，前交叉韧带损伤重建术后随访等的FA、ADC比较采用方差分析。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1前交叉韧带损伤重建手术前后FA和ADC测量

前交叉韧带损伤重建术前、后的FA和ADC测量值见表1～2。前交叉韧带损伤Ⅲ级与Ⅳ级重建术前的FA值和ADC值差异有统计学意义（P<0.05）；前交叉韧带损伤Ⅲ级与Ⅳ级重建术后1周、3个月的FA值和ADC值差异均无统计学意义（P>0.05），合并处理得出前交叉韧带损伤重建术后1周、3个月的FA值和ADC值 分 别 为（0.541±0.056）、（0.542±0.058）和（2.263±0.224）×10-3mm2/s、（2.028±0.341）×10-3mm2/s。前交叉韧带损伤Ⅲ级、Ⅳ级及其合并值的手术前与手术后1周、3个月的FA值和ADC值，其中组间比较前交叉韧带损伤手术后1周与3个月的FA值差异无统计学意义（P>0.05），其他组间的FA值、ADC值差异均有统计学意义（P<0.05）。

表1 前交叉韧带损伤重建手术前后FA测量（±s,n=61）Tab.1 The FA values measurement preoperative and postoperative of the anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD,n=61)

表1 前交叉韧带损伤重建手术前后FA测量（±s,n=61）Tab.1 The FA values measurement preoperative and postoperative of the anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD,n=61)

项目ItemⅢ级ⅢgradeⅣ级Ⅳgrade合计Total F P术前Beforeoperation 0.412±0.044 0.378±0.041 0.395±0.047 1.279 0.041术后1周1 week after surgery 0.543±0.047 0.540±0.042 0.541±0.056 0.803 0.570术后3个月3 monthsafter surgery 0.545±0.046 0.541±0.057 0.542±0.058 0.591 0.886 1.350 1.279 1.452 0.036 0.040 0.029 tP

2.2 前交叉韧带损伤重建术后随访FA和ADC观测

在FA伪彩图上，前交叉韧带重建术后主要呈蓝绿色，颜色分布较均匀，手术后6个月与1年的颜色相似。在ADC图像上，前交叉韧带重建术后显示为灰白色的较高信号影，手术后6个月与1年的信号强度基本相同。在纤维示踪图像上，前交叉韧带重建术后的纤维走行完整、连续，以蓝色纤维为主，自前内下方斜向后外上方，手术后6个月与1年的纤维颜色及走行相同，见图1。

图1 前交叉韧带损伤重建术后6个月随访的弥散张量成像图像（白色箭头示前交叉韧带损伤重建处）A：FA伪彩图B：ADC图C：纤维示踪图像Fig.1 Diffusion tensor images in follow-up after operation of anterior cruciate ligament reconstruction(six months).The white arrow showed the reconstruction position of anterior cruciate ligament injury A:FA falsecolor image;B:ADCimage;C:Tractography image

表2 前交叉韧带损伤重建手术前后ADC测量（±s，×10-3 mm2/s,n=61）Tab.2 The ADC values measurement preoperative and postoperative of the anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD,×10-3 mm2/s,n=61)

表2 前交叉韧带损伤重建手术前后ADC测量（±s，×10-3 mm2/s,n=61）Tab.2 The ADC values measurement preoperative and postoperative of the anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD,×10-3 mm2/s,n=61)

项目ItemⅢ级ⅢgradeⅣ级Ⅳgrade合计Total F P术前Beforeoperation 2.740±0.253 2.844±0.327 2.791±0.336 1.457 0.046术后1周1 week after surgery 2.262±0.210 2.265±0.223 2.263±0.224 0.636 0.441术后3个月3 monthsafter surgery 2.027±0.230 2.031±0.356 2.028±0.341 0.490 0.716 1.181 1.397 1.511 0.045 0.032 0.029 tP

前交叉韧带损伤重建术后随访FA和ADC测量值见表3。前交叉韧带损伤重建术后随访3个月、6个月、1年与正常组的FA值和ADC值，其中组间比较前交叉韧带损伤重建术后随访6个月与正常组前交叉韧带的FA值和术后随访1年与正常组的ADC值差异均无统计学意义（P>0.05），其他组间的FA值、ADC值差异均有统计学意义（P<0.05）。

表3 前交叉韧带损伤重建术后随访FA和ADC测量（±s）Tab.3 The FA values and ADC values measurement in postoperative follow-up of anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD)

表3 前交叉韧带损伤重建术后随访FA和ADC测量（±s）Tab.3 The FA values and ADC values measurement in postoperative follow-up of anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD)

项目Item FA ADC(×10-3 mm2/s)术后3个月(n=61)3 months after surgery 0.542±0.058 2.028±0.341术后6个月(n=54)6 months after surgery 0.595±0.056 1.699±0.175术后1年(n=54)1 yearsafter surgery 0.684±0.059 1.375±0.151正常组(n=100)Normal group 0.577±0.064 1.324±0.160 F P 0.563 1.380 0.043 0.042

3 讨论

3.1 前交叉韧带损伤重建手术前后弥散张量成像观测

前交叉韧带撕裂伤后进行异体肌腱或韧带和自体肌腱移植是重建术常用的移植物，国内外采用的重建材料主要是半腱肌肌腱或股薄肌肌腱[7]。在前交叉韧带损伤重建术后，无论采用的是异体肌腱或韧带还是自体肌腱，移植物在重建过程中要经历4个阶段的病理变化过程：即移植物组织结构的缺血坏死期→血管化期→细胞增值期→改建成熟期，最终被胶原纤维和成纤维细胞形成的韧带样结构所取代，完成移植物的“韧带化”过程[8]。

肌腱和韧带都主要是由Ⅰ型胶原纤维构成，两者属于同态非同源结构。肌腱是通过肌肉将力量传递到骨，受力方向一致，肌腱的纤维方向也趋向一致；而韧带需要限制向多个方向的过度移位，纤维呈多方向排列，一部分前交叉韧带纤维纵向走行，另一部分呈螺旋状排列，主要是由于膝关节在屈曲伴胫骨内旋运动时，内旋时韧带处于紧张状态，伸直位时韧带逐渐恢复松弛，使得螺旋状排列的纤维束在膝关节运动中尤为重要[9～10]。本研究前交叉韧带损伤Ⅲ级与Ⅳ级重建术前的FA值、ADC值差异有统计学意义，可能与前交叉韧带的损伤程度及其间的疏松结缔组织含量有关，Ⅲ级损伤的韧带撕裂部分超过1/2，仅有少量纤维相连，松弛、张力低；而Ⅳ级损伤的韧带完全断裂或仅有包膜包裹，极度松弛、无张力，其间的疏松结缔组织含量较Ⅲ级损伤明显增多。本研究前交叉韧带Ⅲ级、Ⅳ级损伤重建术后1周、3个月的FA值与手术前比较逐渐增高，ADC值则逐渐降低，差异有统计学意义，手术前、后FA值和ADC值出现明显差异可能与所观测的材料性质有关，手术前是损伤的韧带及其间的疏松结缔组织，手术后是自身肌腱，且手术后移植物的纤维方向趋向一致，移植物内水分子的弥散运动强度逐渐降低。本研究前交叉韧带损伤重建术后1周与3个月的FA值差异无统计学意义，可能与重建术后移植物的肌腱纤维尚处于缺血坏死期的不稳定修复状态有关。

3.2 前交叉韧带损伤重建术后随访弥散张量成像观测

在前交叉韧带损伤重建术后的恢复期中，由于缺血和纤维化可出现MRI信号强度异常，如果移植物的纤维结构没有崩塌，随着移植物的血液供应建立，新生的胶原纤维可以在移植物框架上重新生成一条韧带，完成韧带替换过程。重建术后的移植物以Ⅰ型胶原纤维为主，Ⅲ型胶原纤维逐渐长入新生组织中，至4个月时，Ⅲ型胶原纤维在移植物中呈弥散性分布[11]。王永健等[12]研究认为前交叉韧带重建术后2个月的细胞丰富而胶原纤维排列无序，4个月的细胞数量减少而胶原纤维排列较规则，6个月的移植物形态与正常前交叉韧带相似，9个月进一步成熟，1年则更加接近正常的前交叉韧带。本研究前交叉韧带损伤重建术后随访3个月的移植物FA值低于正常组，差异有统计学意义，可能是这个时期移植物肌腱的胶原纤维纵行排列相对紊乱所导致；重建术后随访6个月的移植物FA值高于正常组，但差异无统计学意义，可能是这个时期移植物肌腱的胶原纤维纵行排列相对变得规律，接近于正常组前交叉韧带的纤维关系，再加上移植物肌腱的受力特点，使移植物肌腱纤维的各向异性稍高于正常组；重建术后随访1年的移植物FA值高于正常组，差异有统计学意义，可能是这个时期移植物肌腱的胶原纤维已经基本完成重构，较正常组前交叉韧带的纤维排列变得更加规律有序所导致[13]。前交叉韧带损伤重建术后随访3个月、6个月的ADC值高于正常组，差异有统计学意义，可能与移植物肌腱纤维正处于缺血坏死期→血管化期的不同重塑时期有关；重建术后随访1年的ADC值高于正常组，但差异无统计学意义，可能与移植物肌腱正处于细胞增值期→改建成熟期有关，基本完成“韧带化”重塑过程，移植物肌腱内的水分子弥散运动强度已经接近于正常组前交叉韧带有关[14]。

在FA伪彩图上，前交叉韧带损伤重建术后随访3个月、6个月、1年的移植物肌腱纤维以蓝色为主的颜色逐渐均匀，说明重建术后肌腱纤维沿Z轴方向的排列逐渐规律；在ADC图像上，前交叉韧带损伤重建术后随访3个月、6个月、1年的移植物肌腱纤维信号强度逐渐降低，说明移植物肌腱纤维内的水分子弥散运动强度在逐渐降低，符合重建术后移植物逐渐“韧带化”的生长规律[15]。在纤维示踪图像上，可以直观显示重建术后移植物的形态，前交叉韧带损伤重建术后随访3个月、6个月、1年的移植物肌腱纤维与正常前交叉韧带在形态、走行、颜色上都基本相似，说明重建术后移植物的宏观形态没有发生明显变化。

综上所述，弥散张量成像的FA值和ADC值在随访评价前交叉韧带损伤重建术后移植物恢复情况中具有重要的诊断价值，纤维示踪成像可以作为随访评估辅助检查的影像技术。