前交叉韧带磁共振信号表现测量方式的可靠性分析

赵盈绮 钱驿 贺忱 高奉 果森 崔凯茵 朱婷 巩亚伟 刘壮付一峰 李磊 孙婧怡 周敬滨

1 国家体育总局运动医学研究所（北京 100061）2 国家体育总局体育科学研究所 3 上海体育大学运动科学学院 4 滨州医学院康复医学院 5 国家体育总局运动创伤与康复重点实验室 6 成都体育学院

前交叉韧带重建（anterior cruciate ligament reconstruction，ACLR）的目的在于恢复膝关节稳定性，并帮助患者重返运动[1]。ACLR术后移植物的成熟过程称为“韧带化”[2]。韧带化过程影响移植物生物力学特性，机械强度改变，与再断裂风险相关[3]。因此，在重返运动之前评估ACL 移植物成熟度具有十分重要的临床意义。20 世纪90 年代，Howell 等[4]首次将磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）信号表现用于评价移植物成熟度。迄今为止，MRI 作为一种非侵入性技术已被广泛应用于该领域。既往研究表明，较大的移植物体积和MRI 较低的信号强度与高强度、更优越的生物力学特性相关[5]。

既往研究中，ACL 的MRI 信号强度都需要经过标准化才能进行量化分析。一项系统综述[6]表明既往研究中标准化的方法不同，如信噪商（the signal/noise quotient，SNQ）和信号强度比（signal intensity ratio，SIR）等，并且参照物选择差异较大。常见的参照物有背景[7]、后交叉韧带（posterior cruciate ligament，PCL）[8，9]、股四头肌肌腱[10]、髌腱和腓肠肌内侧头[11]等。Lutz等[11]在研究中提及背景作为参照物时不同观察者间得到的结果差别较大。而以解剖组织为参照物可能受合并损伤、患者身体状态等因素的影响[6，12]。

因此，寻找一种相对可靠的移植物信号测量计算方式对于ACL术后随访时移植物评估十分重要。本研究的目的是探究不同测量计算方法分析ACL的MRI信号强度的可靠性，并分析年龄、性别对结果的影响。

1 对象与方法

1.1 研究对象

本研究对2022 年9 月至11 月间就诊于本院的膝关节损伤患者进行回顾性分析。纳入标准为：（1）18～50岁；（2）于本院拍摄膝关节磁共振成像片。排除标准为：（1）ACL 损伤或ACL 囊肿、退变等患者；（2）PCL 损伤或PCL 囊肿、退变等患者；（3）髌腱炎或其他髌腱损伤患者；（4）腓肠肌肌腱炎或其他腓肠肌损伤患者；（5）病例资料不完整的患者。根据上述纳排标准，共纳入患者100例，获得100组膝关节MRI图片。本研究已获得医院伦理委员会的批准。

1.2 测量方法

收集所有患者的人口统计学信息，包括性别和年龄。

患者均进行3.0T磁共振检查，在检查过程中膝关节保持固定，屈曲10°，外旋10°～15°。快速自旋回波T2 加权序列（TR/TE：3000/98 ms；层厚/间隙：4.0/1.0 mm；FOV：16 cm；NEX：2；ETL：14；带宽：± 31.25 khz/FOV）。在MRI图像上使用ImageJ软件（版本1.51j8）测量感兴趣区域（regions of interest，ROI）内平均灰度值（图1）。以直径为4 mm的圆，测量ACL的3个ROI（远端、中部和近端）的平均灰度值。远端ROI直径与胫骨关节表面连线相切；中部ROI 远端边缘与髁间切迹水平对齐；近端ROI 和中部ROI 间距与远端ROI 和中部ROI之间的间距保持相同[7，11]。5种参照物分别为背景[7]、PCL[8，9]、股四头肌肌腱[10]、髌腱和腓肠肌内侧头。背景ROI 设置在ACL 同一张MRI 胫骨结节前2 cm 处。PCL的ROI取中部较为宽阔的位置，腓肠肌内侧头ROI保持与PCL 中部水平对齐[11]。髌腱ROI 设置在距髌骨远端2 cm处；股四头肌肌腱ROI距髌骨近端2 cm处[10][13]。分别将测量的灰度值带入公式SIR=ACL灰度值/参照物灰度值，得到5种参照物下的SIR[11]。

图1 MRI图像上使用ImageJ软件测量8个感兴趣区（均为直径4 mm的圆形区域）的平均灰度值，包括：（1）ACL远端；（2）ACL中部；（3）ACL近端；（4）背景；（5）PCL；（6）腓肠肌内侧头；（7）股四头肌肌腱；（8）髌腱

为评估测量方法一致性，在正式测量之前，从所纳入患者中随机选择30例患者，由两位作者在单盲情况下分别进行信号强度的测量；2周之后再由其中一位进行重复测量。所有灰度值测量人员均不知道患者的人口统计学信息和病历信息。

1.3 统计学分析

收集纳入患者基本信息，分类变量用百分比表示，连续变量以平均值±标准差表示。采用双向随机效应模型计算组内相关系数（intra-class correlation coefficient，ICC）以评估观察者重复测量和观察者间的一致性。R 值＞0.75 提示一致性较好，R 值在0.75～0.40 之间提示一致性中等，R 值＜0.40 提示一致性较差。以Pearson 相关分析年龄与5 种测量结果之间关系，以独立样本t检验比较不同性别的SIR。以上所有数据的分析处理均在SPSS23.0（IBM 公司，美国）软件上完成，P＜0.05表示有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料

本研究纳入患者100 例，平均年龄为38.3±7.9 岁，男性61 例、女性39 例，患侧左52 例、右48 例。结果显示，所有方式的测量计算结果中，ACL 的SIR 均呈现远端最大（0.93～21.12），近端最小（0.58～13.20）的趋势（表1）。每种测量计算方式得到的SIR 均不同，其中ACL 相对腓肠肌内侧头的SIR 最小（0.58～0.93），ACL相对背景的SIR最大（13.20～21.12）。

表1 5种测量方法SIR结果

2.2 一致性检验

对5 种测量方法的一致性检验结果显示，观察者自我重复测量结果均具有显著相关性（P＜0.001），一致性达到较好的水平（r＞0.75）（表2）。观察者间测量结果均具有显著相关性（P＜0.001），一致性均达到中等或较好的水平（r＞0.7）（表3）。

表2 一位观察者重复测量两次SIR的ICC

表3 两位测量者SIR的ICC

2.3 年龄、性别对SIR的影响

年龄分别与5 种测量结果做Pearson 相关性分析，结果显示ACL近端相对腓肠肌内侧头的SIR与年龄显著相关（P＜0.05，r=0.27），其余结果均不受年龄影响（表4）。根据性别进行分组，结果显示分别以背景、股四头肌肌腱、髌腱和腓肠肌内侧头为参照物时，女性ACL的SIR均显著小于男性（P＜0.05）（表5）。以PCL为参照物时，男性和女性的结果之间无显著差异。

表4 年龄与5种测量方法结果（SIR）Pearson相关性

表5 5种测量方法结果（SIR）不同性别之间的差异比较

3 讨论

本研究最主要的发现是：5种测量方式均有中等至较好的一致性表现，但仅以PCL 为参照物的测量方式得到的SIR 结果既不受年龄影响，也不受性别的影响。MRI能够通过测定组织含水量间接评估移植物韧带化的组织学变化。早期，Howell 等[4]以低、中、高的MRI的SI分级来定性评估移植物成熟度。分级法简单易行，但不能精确反映移植物变化进程。越来越多的研究[9，14]使用ImageJ等软件测量ROI的灰度值，用相对灰度值来定量分析ACL 的信号强度变化。以PCL、髌腱、股四头肌肌腱、腓肠肌这些解剖结构为参考的计算方式，可能受到患者状态或潜在合并损伤的影响[11]。另一方面，随着多线圈技术的普及，MRI背景噪声分布较单线圈技术相比更复杂，在空间上分布不均匀，背景ROI 的选取位置也会影响SIR 的结果[15]。但本研究以ACL正常的患者为对象，发现5种测量方式均有较好的一致性表现。这与部分ACL重建术后的移植物的观察研究的结果一致[11，16，17]。

本研究中，原生ACL 相对于PCL 的SIR 为2.1～3.4，大于相对于腓肠肌内侧头的SIR，后者为0.6～0.9，与Lutz等[11]研究结果接近，其研究结果中，原生ACL相对于PCL 的SIR 为2.6～3.4、相对于腓肠肌内侧头的SIR 为0.4～0.6。本研究还发现，所有方法测量得到的SIR 均呈现远端最大、近端最小的趋势。这一点也与Lutz等的研究结果相似。其发现原生ACL的远端在T2信号最大。Tashiro等的术后随访研究结果显示[7，17-19]，ACL移植物的信号呈现由远端到近端灰度值逐渐增大的趋势。这种现象与ACL 近端血供相对丰富、术后股骨隧道入口处转角较大、纤维排列相对紊乱和松散等有关[7，18，20]。这也提示ACL 损伤和再损伤容易发生在近端。

本研究分析发现，5 种测量方式中，仅以PCL 为参考的测量方式得到的SIR 结果既不受年龄影响，也不受性别的影响。与Aitchison 等[21]结论相似，该研究以PCL为参照物时计算ACL移植物SIR的结果不受年龄、性别影响。而另外4 种参照物均受性别影响，且女性平均SIR 较男性低。造成男女ACL 的SIR 不同的原因可能与ACL的组织学结构差别有关。既往大量研究显示，前交叉韧带损伤发生率的性别差异从青春期开始就很明显，引起这种性别差异的机制与多种因素有关，包括激素、解剖和生物力学因素等[22]。5种测量方式虽均有良好的一致性表现，但需要注意的是，应用髌腱、股四头肌肌腱或背景为参照物时，观察对象组间的性别差异可能干扰ACL的MRI信号比较结果。应用腓肠肌内侧头为参照物时，观察对象组间年龄和性别差异均可能干扰ACL的MRI信号比较结果。

本研究存在以下局限性：1.本研究参考Lutz等[11]的研究，选择以ACL的远端、中部和近端处直径4 mm的圆作为ROI 以测量平均灰度值，但并未比较以ACL 整体作为ROI 以测量平均灰度值的结果。部分ACL 的MRI 信号观察分析研究认为选择把ACL 整体作为ROI进行测量的方式，可以观察ACL 整体信号变化[23]。但这种方法容易受到MRI断层图像截取位置和角度的影响，选取ACL的整体轮廓时可能产生客观偏倚。此外，对ACL轮廓鉴别时也可能受到包裹ACL的滑膜信号的影响，可能产生主观偏倚。采用直径4 mm 的ROI 分析，能基本保证ROI 内为ACL 实质，且能够分别观察ACL远端、中部和近端的信号变化。2.本研究仅纳入了正常ACL，与ACL 重建术后的移植物SIR 表现不同[11]。未来需要对ACL重建术后的MRI信号表现做进一步分析。3.本研究仅分析了性别和年龄2 种人口统计学因素对测量结果的影响，还可能存在其他未知因素对SIR结果产生影响，如糖尿病、吸烟、MRI 检查室空气湿度等。

4 结论

5 种前交叉韧带磁共振信号表现测量方式均有中等到较好的一致性表现。但仅以PCL为参照物的测量方式得到的SIR 结果既不受年龄影响，也不受性别的影响。