膝关节前交叉韧带损伤的研究进展

夏婷婷，张丹

(承德医学院附属医院南区放射科，河北 承德 067000)

0 引言

膝关节损伤在日常体育活动中经常发生[1]，而前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)撕裂又是常见的严重膝关节损伤。据统计，美国每年大约有20万例ACL损伤，且该损伤发生率正在增加，特别是在青春期[2-3]。而国内，敖英芳等[4]人研究结果表明，运动员ACL损伤的总体发病率为0.47%。前交叉韧带损伤多见于日常体育运动，如足球、篮球、跳高等，专业运动员还常见于武术、体操、柔道等项目[4-5]。

ACL在维持膝关节稳定性中起着重要作用，其损伤不仅会导致严重的膝关节不稳定，还能引起继发性膝关节损伤，比如半月板撕裂和关节软骨损伤[6]。本文就解剖及生物力学、临床诊断、影像学检查等方面对前交叉韧带损伤的研究进展进行论述。

1 ACL解剖及生物力学

ACL两端分别附着在股骨外侧髁的内侧面和胫骨平台中央，从外后方斜行至内前方[7]。含有血管来源的结缔组织干细胞隔膜将前交叉韧带分成两束[8]，根据ACL在胫骨相对插入位点，再将这两束分别命名为前内侧(the anterior medial，AM)束和后外侧(the posterior lateral，PL)束，即2个功能性前交叉韧带束[7,9,10]。但国外学者认为ACL还存在中间束，由于中间束的解剖和生物力学特性与AM束最相似，因此通常将中间束视为AM束的一部分[11-12]。Norwood等[11]人认为前交叉韧带胫骨附着处形态为倒置的三角形，在胫骨髁间嵴附着点从内向外依次为前内侧束、中间束、后外侧束。在一项组织学研究中，Odensten[13]在ACL中没有发现单独存在的纤维束，关于纤维束的解剖还存在一定争议。ACL是一个位于膝关节内滑膜外的结构，周围被两层滑膜包裹[6]。该韧带由大量致密的结缔组织束组成，主要成分是Ⅰ型胶原蛋白，其次是Ⅲ型胶原蛋白[6,14]，Ⅲ型胶原纤维把I型胶原纤维分成小束[9]。ACL两端组织的结构与其典型的胶原纤维结构不同，股骨起始处和胫骨起始处的组织学结构由软骨细胞样细胞与典型的肌腱细胞整合而来[6,14,15]，分为4层，即韧带层、纤维软骨层、骨化的纤维软骨层和软骨下骨板层[16]。由韧带逐渐向骨骼转化的组织可缓冲通过ACL传导的作用力，从而避免过大的应力作用于附着点，这可能对膝关节运动学有重要作用[6,9,14,16,17]。

ACL的主要功能是限制胫骨向前移位[18]，能有效防止膝关节旋转不稳，其前内侧束有助于前外侧稳定性，后外侧束有助于后外侧稳定性[11]。在着地过程中，膝关节伸展(屈曲＜30°)这一姿势易导致ACL损伤[19-23]。大量研究表明，尤其是在运动过程中，伸膝着地前交叉韧带更易受伤，可能与股四头肌强烈收缩致胫骨前移，ACL张力增加有关[24-26]。

2 ACL损伤的临床诊断

ACL损伤的患者常表现为膝关节肿胀、疼痛、跛行、膝关节不稳定及弹响等。急性ACL损伤，常伴随运动受伤史。临床上普遍用于检查ACL损伤的检查方法有：①前抽屉试验(anterior drawer test，ADT)：患者仰卧位，屈膝约90°，足平放于床上。检查者用臀部将患者的患侧足部固定，双手握住患侧小腿上端前拉，并与健侧对比。②Lachman试验：患者仰卧位，屈膝15°，检查者一手握患侧股骨下端，另一手握患侧胫骨上端向前拉小腿，并与健侧对比。③轴移试验(pivotshift test，PST)：患者仰卧位，检查者一手握患肢足踝。屈髋45°、伸膝、下肢外展，一手握住足部使小腿内旋外翻位，使膝逐渐屈曲，呈现突然错动感，即为阳性。④杠杆试验[27](lever sign test，LST)：患者仰卧位平躺在硬质的检查桌面或患肢下方垫一硬质平板，检查者将一手握拳置于患侧小腿近端下方硬质平板上，另一手对股四头肌施加一个向下的力；患者足跟从检查台上抬起为阴性，表明ACL完整，患者的足跟保持不动为阳性，表明ACL断裂。如果足跟抬起，ACL完整，通过小腿的支点，将向下的力从股骨传递到胫骨。如果足跟没有在重力作用下抬起，则认为ACL不起作用，可能是撕裂。

据国内学者吴宇峰[28]的研究报道，对于诊断ACL完全断裂，Lachman试验诊断价值最高。国外学者Massey[29]等人认为Lachman试验的灵敏度最高，轴移试验的特异度最高，杠杆试验具有83%的高灵敏度和80%的特异性，其准确性与Lachman试验、前抽屉试验和轴移试验没有显著差异。而前抽屉试验的准确性低的原因有以下几方面，急性患者由于关节疼痛无法屈曲90°行该检查；膝关节屈曲90°时，附着在股骨内侧的半月板后角可阻止胫骨前移，造成假阴性；后交叉韧带松弛或断裂时，也出现胫骨前移，容易误诊[30]。

Peeler等人的研究称骨科医生行Lachman试验、前抽屉试验和轴移试验的准确性更高[31,32]。因此，在怀疑ACL损伤行体格检查时，建议由经验丰富的骨科医生实施，以得到更高的体格检查准确性，便于临床医生提早发现ACL病变，早期干预。但是物理检查也存在一定的局限性，是主观的，不精确的，伴随一些急性期症状时，比如关节积液、活动受限、疼痛等，患者常常无法完全配合[28,33]，导致物理检查诊断价值降低，临床上还需结合影像学检查进一步诊断。

3 ACL损伤的影像学检查

3.1 X线检查

X线检查是临床常见的影像学检查，具有快速、费用低等优点。膝关节正侧位X线片对于急性膝关节损伤，可作为首选的检查，用于排除骨折、脱位等相关急性损伤[34]。在X线片上可显示胫骨髁间嵴骨折，这常提示伴随ACL损伤，若发现Segond骨折，即胫骨平台外侧撕脱骨折，也可提示伴ACL损伤的可能[35]。一般情况下，X片能较好显影骨结构，是诊断骨折常见且快捷的诊断方式，但因膝关节结构复杂，导致其可能会遗漏部分骨折[36]，所以对于关节内结构还需行CT、MRI等检查。

3.2 超声检查

因超声具有准确、实时、经济等特点，其在肌肉骨骼系统中的诊断价值日益提高[37]。现在，超声已成功应用于脚踝、手腕、足部和肘部损伤的诊断[38-40]。正常ACL长轴切面为均匀低回声带状结构，短轴切面股骨外侧髁ACL起始处滑膜为光滑线状回声，且滑膜周围无异常回声[41,42]。当超声声像图显示为韧带回声增粗减低、韧带连续性中断、韧带变细、周边回声增粗或减轻、股骨外侧髁ACL起始处见低回声时，提示ACL部分损伤、完全损伤、吸收或萎缩[41-43]。

王海杰等[44]人证实低频超声对ACL损伤具有高准确率，超声具有经济实用、操作简便、普及性强，既无电离辐射，也无检查禁忌证，可作为筛查ACL损伤的首选方法。但是鉴于该检查具有主观性，图像分辨率较差，前交叉韧带各束不能得到清晰的显示，对于细微结构诊断困难，造成准确率降低[42,44]。

3.3 MRI检查

MRI检查对软组织显示有较高的分辨率，能够清楚的显示出膝关节韧带及其周围组织细小的结构环境，还能有效的去除膝关节周围脂肪组织对扫描图像的影响[45]。核磁共振的这些优点，让其成为目前诊断ACL损伤的首选影像学检查，可以清楚的显示ACL的信号、走行[46]，直观的判断ACL的状态。

正常ACL在核磁共振图像上表现为匀称边缘光滑的均匀低信号影，基本原理是因为其中的氢原子固定在多肽形成的网架上，导致氢原子无法参与MRI成像[47,48]。而ACL中后部分的纤维束间被脂肪组织和疏松结缔组织填充，从而使正常ACL内可见线状或条纹状的中等或高信号影分隔。ACL受损时，多肽网架遭到破坏，氢原子及水肿液在MRI图像上均表现为韧带内出现异常高信号[49]。

MRI诊断ACL损伤主要依靠直接征象和间接征象[49-51,46]。直接征象：(1)韧带中断：ACL走行区正常韧带信号缺失，断端挛缩；(2)ACL形态走行、信号不正常：ACL萎缩变细或水肿增粗，韧带内出现高信号。间接征象：(1)胫骨前移：股骨外侧髁中间的矢状位，股骨髁后缘垂直线位于胫骨后缘垂直线后方5mm或7mm以上；(2)外侧半月板后角裸露征：矢状位上，外侧半月板后角后缘垂直线位于胫骨后缘皮质垂直线后方；(3)后交叉韧带(posterior cruciate ligment，PCL)指数：矢状面上，后交叉韧带股骨、胫骨附着点的最短连线(Y)与此线和PCL后凸处最高点间的垂直距离(X)的比值，该比值＞0.39表示ACL断裂；(4)股骨外侧髁凹陷征(Notch征)：股骨外侧髁凹陷切迹大于1.5mm；(5)股骨外侧髁和胫骨后外侧平台“对吻性”骨挫伤：局部呈网状T1WI低信号，T2WI/PDWI+FS呈高信号影；(5)空髁间窝征：股骨髁外侧髁的内侧面未见前交叉韧带附着；(6)PCL角：矢状面上，PCL向后呈拱形，其近段、远段形成的夹角，该夹角＜105°或109°时，提示ACL撕裂；(7)内侧副韧带损伤；(8)前交叉韧带附着点撕脱骨折等。王志斌等[46]人在一项对124例患者进行回顾性分析的研究中，通过Logistic后退回归法，得出与ACL损伤最相关的MRI征象为ACL信号或走行异常，其次为ACL连续性中断、胫骨前移、外侧半月板后角裸露征、PCL指数。郭吉敏等[49]人对194例患者的ACL损伤直接及间接征象分析后，还认为Notch征、骨挫伤这些间接征象，也可强烈提示ACL损伤。ACL损伤的MRI主要诊断标准是直接征象，当具备2种以上直接征象时诊断准确率增加[49]，当缺乏直接征象时，出现上述间接征象时，可在很大程度上提示ACL损伤。

根据MRI图像将ACL损伤程度分级：①ACL完全撕裂：纤维束完全断裂，韧带松弛呈波浪状；ACL的走行呈不正常平行或垂直走行；②ACL部分撕裂：ACL结构完整，走行呈弓形或波浪状，信号异常；③ACL完整：韧带形态完整，走行及信号正常。

MRI辅助诊断前交叉韧带损伤的方法快速、便捷、无创，尤其是在ACL完全断裂和ACL正常时诊断价值高[52]，但是MRI图像诊断ACL部分撕裂的敏感性、特异性及准确性均低于完全撕裂[46]，而损伤程度分级对临床治疗有重要指导作用，临床可根据严重程度行保守或手术治疗。

3.4 弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)

DTI已经广泛应用于大脑、周围神经、肌肉和肾脏等[53-58]领域。最近，还有学者尝试将DTI应用于关节软骨及韧带重建术后评价[59-60]。DTI能越来越多的应用于以上领域，这是因为它可以采用一种无创的方式，量化水在生物组织中的扩散，从而并评估其方向各项异性[53]。分子扩散，即布朗运动，指的是流体中的任何类型的分子(如水)在热能作用下流体发生的随机运动。人体由各种不同扩散系数的组织组成[61]，可以根据不同组织的弥散张量图像中，得到一些量化的参数。这些参数可以提供组织的结构重要信息，而传统的磁共振成像中不能显示微观结构。

最常见的DTI参数[60,62]包括(1)各向异性(fractional anisotropy，FA)：反映组织扩散过程的各向异性程度，范围在0(完全各向同性，即在所有方向上均匀地扩散)到1(总各向异性，即在一个方向上优先扩散)之间；(2)平均扩散系数(mean diffusivity，MD)：水的总体自由扩散的平均值，不考虑方向；(3)轴向扩散系数(axial diffusivity，AD)，表示扩散主方向的扩散系数；(4)径向扩散系数(radial diffusivity，RD)，表示垂直于扩散主方向的扩散系数。相邻体素的主要扩散方向可以用纤维束成像，进行整合连接，从而实现组织纤维结构的3D可视化。

我国学者陈立勋等[63]人用DTI对31名健康人行ACL测值，另外选取其中12名志愿者同一时期再次行DTI扫描，结果具有一致性，他们认为将DTI应用于ACL具有可行性。而杨荣丽等[64]人的研究显示，DTI的FA值、ADC值与ACL损伤程度相关。通常，组织纤维排列的中断会导致各向异性的丧失(FA减少)和水的自由运动增加(MD增加)[65]。然而，目前有关DTI应用于韧带的报道较少，还存在一定技术问题，可能与膝关节解剖较复杂，易导致磁敏感伪影有关[59]。

4 小结

综上所述，膝关节是人体最重要的关节之一，而ACL又是维持膝关节稳定的重要结构，ACL损伤发生率越来越高，而Ⅰ度损伤易被忽略，造成继发性损伤。如前所述，X线检查可以对骨折、脱位等进行排除，超声适用于筛查ACL损伤，怀疑韧带损伤还需更精确的检查。MRI可以显示ACL本身的形态和周围解剖结构，已经证明DTI技术在ACL方面具有可行性，可通过量化参数和纤维示踪成像反映ACL的微观结构改变。但是对于扫描参数、具体诊断标准还没有统一的标准，还需要进一步探讨，寻找最优化的成像及诊断，便于临床对ACL早诊断、早治疗，保护膝关节的功能运动，减少继发性损伤。