膝关节前交叉韧带损伤的弥散张量成像观测

毛光兰，李培，杨荣丽，付升旗，王庆志

新乡医学院 1.第三附属医院康复科，2.第三附属医院影像科，3.解剖学教研室，河南 新乡 453003

前交叉韧带损伤是常见的膝关节病变，可导致膝关节旋转失衡、骨关节炎、软骨退变等并发症；由于患者损伤后早期出现关节肿痛等症状，给影像诊断造成一定干扰[1]。MRI是诊断前交叉韧带损伤的主要影像方法，但根据MRI信号强度变化进行诊断存在较大的局限性，导致前交叉韧带部分撕裂伤诊断的准确度、特异度降低，影响其早期诊断及治疗[2]。弥散张量成像作为一种定量的影像诊断技术，通过参数各向异性分数（fractional anisotropy，FA）和表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）可以定量诊断纤维结构的微观变化，纤维示踪成像可以直观显示纤维束的形态、走行及连接部位，国内外已有学者应用于除中枢神经系统以外的其他软组织病变研究，比如应用MRI及弥散张量成像研究正常前交叉韧带及前交叉韧带损伤重建术等[3]。而前交叉韧带损伤程度分级的弥散张量成像研究较少，尚未见到应用弥散张量成像的纤维示踪成像技术评价前交叉韧带损伤分级的报道[4,5]。本研究采用弥散张量成像技术，比较前交叉韧带损伤处与正常组相应部位，以及不同损伤分级之间的FA、ADC，探寻其与损伤程度的相关性，阐明纤维示踪成像对前交叉韧带损伤分级的诊断价值。

1 材料与方法

1.1 一般资料

1.1.1 研究对象 选取2017年1月至2018年9月因单侧膝关节不适于新乡医学院第三附属医院采用MRI及弥散张量成像扫描检查正常者100例（100侧），其中男、女性各50例，左侧58例，右侧42例。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。另选取同期该院因单侧膝关节前交叉韧带撕裂伤住院患者100例（100侧），其中男性43例，左侧18例，右侧25例；女性57例，左侧25例，右侧32例；年龄22～58岁，平均39.6岁。纳入标准：（1）膝关节不稳；（2）Lachman试验、抽屉试验和轴移试验均为（+）；（3）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；（5）研究对象均知情同意。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。

1.1.2 损伤分级 按照关节镜检查的“金标准”：Ⅰ级损伤：前交叉韧带的形态、走行基本正常，周围伴有充血、水肿；Ⅱ级损伤：前交叉韧带的形态结构完整，韧带略松弛，撕裂部分不超过1/2；Ⅲ级损伤：前交叉韧带的形态结构不完整，韧带松弛，张力低，撕裂部分超过1/2，有少量纤维相连；Ⅳ级损伤：前交叉韧带的形态消失，走行平坦，韧带完全断裂或仅有包膜包裹，韧带极度松弛，无张力[6]。本研究纳入前交叉韧带损伤患者分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，分别有16例、23例、36例、25例。

1.2 研究方法

1.2.1 设备及参数 使用Philips公司3.0 T 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内水分子的变化。

1.2.2 图像处理及测量 将弥散张量成像数据输入图像后处理工作站，利用工作站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。在前交叉韧带损伤处设置感兴趣区，利用该软件测量感兴趣区的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。为提高各感兴趣区测量的FA、ADC和损伤程度分级的准确性，由2名医师分别测量3次取其平均值，同时进行双盲阅片，与关节镜检查进行对比分析前交叉韧带损伤分级的诊断率。

1.3 统计学分析

应用SPSS 20.0统计学软件进行数据分析，计量资料的前交叉韧带损伤处与正常组相应部位的FA、ADC比较采用t检验，不同分级前交叉韧带损伤之间的FA、ADC比较采用方差分析，弥散张量成像的FA和ADC、纤维示踪成像和MRI的特异度、灵敏度、准确度等比较采用χ2检验，不同分级前交叉韧带损伤与FA、ADC的相关性采用Pearson相关分析法。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 前交叉韧带损伤处和正常组的FA、ADC

在FA伪彩图上，正常组前交叉韧带的颜色欠均匀，以蓝色和绿色为主，其下段伴有少量红色（图1B）；前交叉韧带损伤处的颜色混乱（图2B）。在ADC图像上，正常组前交叉韧带的信号较其周围的骨骼肌信号略低（图1C）；前交叉韧带损伤处的确切信号显示不清（图2C）。在纤维示踪图像上，正常前交叉韧带的走行连续，纤维束规则，以浅绿色为主，同时伴有少量蓝色，其上、下端有少量红色（图1D）；前交叉韧带损伤处的纤维走行中断，其断端的纤维束增粗、形状不规则（图2D）。

前交叉韧带损伤处和正常组相应部位的FA、ADC测量值见表1。经t检验分析，前交叉韧带损伤处与正常组相应部位的FA和ADC差异均有统计学意义（P＜0.05），前交叉韧带损伤处的FA低于正常组相应部位，ADC高于正常组相应部位。

图1 前交叉韧带的弥散张量成像（右侧）A：横断层标本B：FA伪彩图C：ADC图D：纤维示踪图像白色箭头示前交叉韧带Fig.1 Diffusion tensor images of the right anterior cruciate ligamentA:Transverse specimen；B:FA false color images；C:ADC images；D:Tractography images；The white arrow showed the anterior cruciate ligament

表1 前交叉韧带损伤处和正常组的FA、ADC测量值（±s，n1=100，n2=100）Tab.1 The FA values and ADC values of the anterior cruciate ligament injury and normal group(Mean±SD,n1=n2=100)

表1 前交叉韧带损伤处和正常组的FA、ADC测量值（±s，n1=100，n2=100）Tab.1 The FA values and ADC values of the anterior cruciate ligament injury and normal group(Mean±SD,n1=n2=100)

2.2 前交叉韧带损伤不同分级的FA和ADC

在FA伪彩图上，前交叉韧带损伤处的蓝色不同程度减少，随损伤程度不同，局部区域混杂有绿色和红色，Ⅳ级损伤处的蓝色和绿色消失；在ADC图像上，前交叉韧带损伤处的信号不同程度增强；在纤维示踪图像上，前交叉韧带损伤处的纤维呈不同程度中断、走行紊乱，蓝色纤维减少，混杂有不同比例的绿色和红色纤维，Ⅳ级损伤处的蓝色纤维消失（图2B～D）。

前交叉韧带损伤的FA和ADC测量值见表2。前交叉韧带Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级损伤处的FA和ADC差异均有统计学意义（P＜0.05），FA随损伤程度增高而逐渐降低，ADC则逐渐增高；组间比较Ⅰ级与Ⅱ级的FA和ADC值差异无统计学意义（P＞0.05），其他损伤分级之间的FA和ADC差异均有统计学意义（P＜0.05）。

2.3 前交叉韧带损伤不同分级与FA、ADC的相关性

经Spearman相关性分析，前交叉韧带损伤Ⅰ～Ⅳ级的FA逐渐降低，损伤程度与FA呈负相关（r=-0.873，P＜0.01）；ADC则逐渐增高，损伤程度与ADC呈正相关（r=0.831，P＜0.01）。

2.4 前交叉韧带损伤的分级诊断效果

弥散张量成像的FA和ADC、纤维示踪成像、MRI对前交叉韧带损伤分级诊断的灵敏度、特异度、准确度、阳性预测值、阴性预测值差异均有统计学意义（P＜0.05），FA和ADC高于MRI，纤维示踪成像高于FA和ADC、MRI，见表3。

3 讨论

3.1 前交叉韧带损伤与正常组的弥散张量成像观测

图2 前交叉韧带损伤（Ⅳ级）的弥散张量成像（右侧）A：横断层标本（正常）B：F A伪彩图C：ADC图D：纤维示踪图像 白色箭头示前交叉韧带损伤处Fig.2 Diffusion tensor images of the right anterior cruciate ligament injury(IV grade)A:Normal transverse specimen；B:FA false color images；C:ADC images；D:Tractography images；The white arrow showed the position of anterior cruciate ligament injury

表2 前交叉韧带损伤不同分级的FA和ADC测量值（±s，n1=16，n2=23，n3=36，n4=25）Tab.2 The FA values and ADC values in the different degrees of anterior cruciateligament injury(Mean±SD,n1=16,n2=23,n3=36,n4=25)

表2 前交叉韧带损伤不同分级的FA和ADC测量值（±s，n1=16，n2=23，n3=36，n4=25）Tab.2 The FA values and ADC values in the different degrees of anterior cruciateligament injury(Mean±SD,n1=16,n2=23,n3=36,n4=25)

表3 FA和ADC、纤维示踪成像及MRI对前交叉韧带损伤分级的诊断效果（%，n1=n2=n3=100）Tab.3 Diagnostic effect in different degrees of anterior cruciate ligament injury by the FA values and ADC values,tractography imaging and MRI(%,n1=n2=n3=100)

前交叉韧带损伤是临床常见的膝关节病变，据调查我国足球、摔跤、柔道、武术等运动员的前交叉韧带损伤率约为0.4%，普通人群约为0.3%[7]，而MRI对前交叉韧带损伤的确诊率完全撕裂伤为81%～89%，部分撕裂伤为56%～77%。造成前交叉韧带损伤漏诊或误诊的主要原因是韧带外面包裹有滑膜，当韧带完全撕裂后其滑膜可以保持完整性，MRI未能辨识韧带的连续性断裂；另外，当韧带退变后出现嗜酸红黏液变性或急性扭伤后发生水肿，可造成韧带内的信号异常增强而出现假阳性[8]，医师可能将完全撕裂伤误诊为部分撕裂伤，或将较严重的部分撕裂伤误诊为完全撕裂伤。弥散张量成像可以在分子水平定量评价前交叉韧带的微观结构变化，常用参数有FA和ADC，分别显示微观结构的不同变化特征，可以为临床有效诊治提供重要的参考依据。Hakan等[9]对人体肌肉及跟腱损伤进行研究，认为损伤组的FA低于正常组，ADC高于正常组。本研究将前交叉韧带损伤处与正常组相应部位的FA、ADC进行比较，FA低于正常组相应部位，ADC高于正常组相应部位，差异有统计学意义。与肌肉及跟腱损伤的研究结果相一致。分析原因可能是由于前交叉韧带撕裂后纤维走行的连续性中断，其断端的纤维出现紊乱，使韧带内水分子弥散运动的各向异性减小，导致损伤处的FA降低；韧带损伤后的水肿液及H+聚集，使水分子的弥散运动增强，导致损伤处的ADC增高。

3.2 前交叉韧带损伤不同分级的弥散张量成像观测及其相关性

前交叉韧带损伤后缺乏自我修复能力，主要是因为韧带损伤处的生长因子裸露于关节腔的滑液内，被滑液冲刷和稀释；滑液中有溶解生长因子的胶原酶，同时也可以溶解断端的纤维组织[10]。Ⅰ型、Ⅲ型胶原纤维是构成肌腱和韧带的重要成分，是保持自身力学特性的物质基础，Ⅰ型胶原纤维的生物力学特性明显高于Ⅲ型胶原纤维，在前交叉韧带内以Ⅰ型胶原纤维为主，构成前交叉韧带内的纵形致密纤维。由于前交叉韧带内大量Ⅰ型胶原纤维的定向排列，使各向异性相对较大，FA相对偏高；同时前交叉韧带内夹杂有较多的疏松结缔组织，使多肽形成的网架上结合的水分子增多，ADC相对偏低[11]。当前交叉韧带发生不同程度损伤时，纤维束部分或完全撕裂，由于韧带愈合困难，纤维排列紊乱，出现不同程度的相对同向异性，使FA不同程度降低；由于韧带断端的多肽网架受到不同程度的破坏，出现局部水肿，水肿液使水分子弥散运动不同程度增加，使ADC不同程度增高。Zeng等[12]采用弥散张量成像观测不同程度损伤的肌肉组织，分析骨骼肌的水肿、轻度撕裂和完全撕裂组的FA和ADC变化，认为轻度撕裂和完全撕裂组较正常组的FA降低，ADC增高，FA与ADC之间呈负相关。本研究将前交叉韧带损伤程度分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，损伤处FA和ADC差异有统计学意义，FA随损伤程度增高而逐渐降低，与损伤程度呈负相关；ADC则逐渐增高，与损伤程度呈正相关，其中FA的相关性更强，是判断前交叉韧带损伤程度的一个重要参数。但是本研究在Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级损伤的组间比较中，Ⅰ级与Ⅱ级之间的FA差异无统计学意义，分析原因可能与前交叉韧带的超微结构有关。前交叉韧带由多根纤维束构成，其外面包裹有滑膜，而每根纤维束由3～20根亚纤维束构成，其外面包裹有结缔组织，当发生Ⅰ级损伤时仅有少量纤维束及结缔组织撕裂；Ⅱ级损伤时纤维束及结缔组织撕裂不超过1/2，由于前交叉韧带的纤维束数量较多，当仅有少部分纤维束损伤后，包裹在纤维束外面的结缔组织瘢痕增生，或者在解剖空间上受到其周围纤维束的干扰，导致了FA相对增高[13]。Ⅰ级与Ⅱ级之间的ADC差异也无统计学意义，可能是由于水分子的弥散运动受到多种因素影响，如纤维的撕裂方式、个体差异、周围血液供应差异等，使Ⅰ级与Ⅱ级损伤的水分子弥散运动程度相近。

3.3 前交叉韧带损伤的分级诊断效果评价

前交叉韧带损伤的主要诊断方法是关节镜和影像学检查，目前关节镜被认为诊断的“金标准”[6]，但是由于关节镜具有创伤性，不易被患者接受[14]。在弥散张量成像的FA伪彩图和ADC图上，正常前交叉韧带呈蓝绿色，当前交叉韧带损伤后其走行紊乱，各向异性降低，原本沿着Z轴（蓝色）、Y轴（绿色）的纤维被沿其他方向（X轴，红色）的撕裂纤维所替代；随着韧带损伤程度增加，FA伪彩图的局部颜色逐渐丢失，ADC图较正常信号强度逐渐增高，由黑色逐渐转变成灰白色[15]。在纤维示踪图像上，正常前交叉韧带的体部显示良好，由于纤维主要沿Z轴、部分Y轴走行，以蓝色为主，符合前交叉韧带自内下前方斜向外上后方走行的解剖特点；当前交叉韧带损伤后，由于韧带撕裂而纤维示踪图像呈不连续性，走行杂乱，在蓝绿色中混杂了其他颜色[16]。Delin等[17]选取ADC与MRI对前交叉韧带的部分撕裂伤与完全撕裂伤诊断进行比较，认为ADC较MRI的特异度、灵敏度高，完全撕裂伤的特异度、灵敏度高于部分撕裂伤。本研究采用弥散张量成像的FA和ADC、纤维示踪成像、MRI与关节镜检查的“金标准”相比较，FA和ADC对前交叉韧带损伤的分级诊断灵敏度、特异度、准确度、阳性预测值、阴性预测值高于MRI信号强度，纤维示踪图像高于FA和ADC，说明纤维示踪图像能够定量评价纤维的走行及连接，准确评价纤维的损伤程度，是目前诊断前交叉韧带损伤程度的最佳手段。

综上所述，弥散张量成像的FA和ADC可以准确反映前交叉韧带损伤的程度，纤维示踪成像可以提高前交叉韧带损伤分级的准确率，为前交叉韧带损伤提供了微观结构变化的影像诊断依据。