前交叉韧带弥散张量纤维示踪成像观测及临床应用

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，由于患者损伤早期出现关节肿痛等症状，给影像诊断造成一定困难[1]。MRI是目前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很大的局限性，导致前交叉韧带部分撕裂伤诊断的准确度、特异度较低，严重影响前交叉韧带损伤的早期诊断及治疗[2]。弥散张量成像作为一种定量诊断的影像技术，主要应用于中枢神经系统病变的诊断，随着弥散张量成像技术的普及，国内外已陆续有报道应用于除中枢神经系统以外的其他软组织病变中，譬如应用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]，而前交叉韧带损伤的弥散张量成像研究较少，尤其是应用弥散张量纤维示踪成像技术研究前交叉韧带及其损伤的研究更少[4，5]。本研究利用弥散张量纤维示踪成像测量前交叉韧带不同部位及损伤处的各向异性分数（fractional anisotropy，FA）和表观弥散系数（apparent diffusion coefficient，ADC），观察前交叉韧带及其损伤处的三维纤维示踪图像，为前交叉韧带损伤提供定量诊断数据，帮助临床医师做出更好的治疗决策。

1 材料与方法

1.1 研究对象

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损伤在新乡医学院附属医院骨科住院的患者。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）住院1周进行MRI及弥散张量成像复查者。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。

按照前交叉韧带损伤的关节镜检查“金标准”[6]，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，仍有少量纤维相连；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。将前交叉韧带损伤分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，分别有16例、23例、36例、25例。

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。扫描姿势为膝关节伸直位；扫描时间为早晨起床后，避免运动原因造成韧带内水分的变化。

将检查正常者和急性损伤1周的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，沿韧带走行方向在前交叉韧带上端、上中部、中部、下中部、下端及其损伤处设置感兴趣区，根据关注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，进行纤维束示踪成像，绿色为纤维束呈前后走行，蓝色为纤维束呈上下走行，红色为纤维束呈左右走行。测量关注区的FA和ADC，为保证各关注区测量的FA、ADC和损伤程度分级的准确性，由2名医师双盲对照阅片，测量3次取其平均值。

1.3 统计学分析

应用SPSS 20.0统计学软件进行数据分析，前交叉韧带不同部位和不同程度损伤分级的FA值、ADC值比较采用方差分析，前交叉韧带不同部位与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 前交叉韧带不同部位的FA和ADC观测

在弥散张量纤维示踪图像上，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1）。

图1 前交叉韧带的弥散张量纤维示踪图像（白色箭头示前交叉韧带）A：横断图像 B：状图像 C：状图像Fig.1 Diffusion tensor tractography images of the anterior cruciate ligament.The white arrow showed the anterior cruciate ligamentA:Transverse images;B:Coronal images;C:Sagittal images

前交叉韧带不同部位的FA和ADC测量值见表1。前交叉韧带上端、上中部、中部、下中部、下端的FA值和ADC值差异均有统计学意义（P<0.05），组间比较，上端与上中部的FA值和ADC值差异无统计学意义（P>0.05），其他部位之间的FA值和ADC值差异均有统计学意义（P<0.05）。

经Spearman相关性分析，前交叉韧带自上而下的上端、上中部、中部、下中部、下端的FA值逐渐降低，与FA呈负相关（r=-0.319，P<0.05）；ADC值则逐渐增高，与ADC呈正相关（r=0.593，P<0.05）。

2.2 前交叉韧带损伤的FA和ADC观测

在弥散张量纤维示踪图像上，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2）。

图2 前交叉韧带损伤（Ⅳ级）的弥散张量纤维示踪图像（白色箭头示前交叉韧带损伤处）A：横断图像 B：状图像 C：状图像Fig.2 Diffusion tensor tractography images of the anterior cruciate ligament injury(Ⅳgrade).The white arrow showed the anterior cruciate ligament injuryA:Transverse images;B:Coronal images;C:Sagittal images

前交叉韧带损伤的FA和ADC测量值见表2～3。前交叉韧带Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级损伤处的FA值和ADC值差异均有统计学意义（P<0.05），与正常组相应部位的FA值和ADC值（见表1）差异也均有统计学意义（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值和ADC值差异无统计学意义（P>0.05），其他损伤分级之间的FA值和ADC值差异均有统计学意义（P<0.05）。在前交叉韧带相同损伤程度的不同部位之间，Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级的FA值和ADC值差异均有统计学意义（P<0.05），Ⅳ级的FA值和ADC值差异无统计学意义（P>0.05）。

表1 前交叉韧带不同部位的FA和ADC测量值（，n=100）Tab.1 The FA values and ADC values measurement in the different position of anterior cruciate ligament(Mean±SD,n=100)

表1 前交叉韧带不同部位的FA和ADC测量值（，n=100）Tab.1 The FA values and ADC values measurement in the different position of anterior cruciate ligament(Mean±SD,n=100)

表2 前交叉韧带损伤不同程度分级的FA测量（）Tab.2 The FA values measurement in the different degrees of anterior cruciate ligament injury(Mean±SD)

表2 前交叉韧带损伤不同程度分级的FA测量（）Tab.2 The FA values measurement in the different degrees of anterior cruciate ligament injury(Mean±SD)

3 讨论

3.1 前交叉韧带不同部位弥散张量纤维示踪成像的FA和ADC测量

前交叉韧带起自胫骨髁间隆起的前方，其附着点呈扇形展开，附着于一个前宽后窄的卵圆形区域；前交叉韧带斜行向外上后方，在髁间窝的中段变窄小，可以有效避免或减少与膝关节内其他结构发生撞击、摩擦；其纤维分散止于股骨外侧髁的内面，附着处的面积增大，牢固地连接于股骨。前交叉韧带在胫骨附着处的长轴沿胫骨平台前后排列，在股骨附着处的长轴与股骨长轴的上下方向一致，因此前交叉韧带在走行中以自身中轴为中心向外侧旋转90°，致使前交叉韧带走行于后交叉韧带的前外侧[7,8]。Girgis等[9]根据前交叉韧带附着点的纤维分布和膝关节屈伸运动过程中前交叉韧带紧张程度的差异，将前交叉韧带分为前内侧束和后外侧束，前内侧束主要限制胫骨向前方移动，后外侧束主要是在膝关节伸直状态下起稳定作用，尤其是膝关节旋转的稳定性。

表3 前交叉韧带损伤不同程度分级的ADC测量（，×10-3 mm2/s）Tab.3 The ADC values measurement in the different degrees of anterior cruciate ligament injury(Mean±SD,×10-3mm2/s)

表3 前交叉韧带损伤不同程度分级的ADC测量（，×10-3 mm2/s）Tab.3 The ADC values measurement in the different degrees of anterior cruciate ligament injury(Mean±SD,×10-3mm2/s)

弥散张量成像利用人体组织中水分子各向异性的弥散运动，用于观测组织结构的微观变化，此影像技术已经在中枢神经系统的白质成像中得到应用和推广。采用弥散张量成像技术研究前交叉韧带的报道较少，除与影响图像质量和测量准确性的设备参数如b值、图像采集层厚及场强、弥散梯度采集方向等有关外，还与前交叉韧带自身含有的H+较少有关[10]。前交叉韧带纤维夹杂有部分疏松结缔组织，可使前交叉韧带整体的含H+量明显增多，因此临床施行前交叉韧带的弥散张量成像成为可能。2013年Delin等[11]首次报道前交叉韧带弥散加权成像的ADC图，认为MRI和弥散加权成像结合可以提高前交叉韧带部分撕裂伤与完全撕裂伤的诊断率，但是并没有评价纤维走行及连接和定量研究。陈立勋等[4]研究了正常前交叉韧带的FA值和ADC值，认为前交叉韧带不同部位的FA值和ADC值差异均有统计学意义。但是，本研究将前交叉韧带分为上端、上中部、中部、下中部、下端5段，上端与上中部的FA值和ADC值差异无统计学意义，其他不同部位之间的FA值和ADC值均有统计学意义，FA随前交叉韧带自上向下逐渐降低，与部位呈负相关；ADC则逐渐增高，与部位呈正相关。分析本研究前交叉韧带不同部位的FA和ADC的差异性和变化规律，可能是前交叉韧带纤维束自上而下的整体走行方向不一致，上段的纤维束走行方向基本一致，且含有的疏松结缔组织较少，分布较均匀，FA值和ADC值虽存在差异但无统计学意义；下段的纤维束走行方向不一致，可能与前交叉韧带在胫骨附着处扇形展开呈前后排列有关，疏松结缔组织含量相对增多，且越向下部的含量越多，使FA值和ADC值出现明显差异且有统计学意义，为前交叉韧带不同部位的损伤诊断提供了基础参考数据。分析本研究与陈立勋等[4]的研究结果，在前交叉韧带自上而下均匀分为5段的相同分区分段情况下，上端与上中部FA值、ADC值的差异，可能与扫描成像时膝关节的角度有关，陈立勋等[4]扫描体位采用屈膝17°～23°，外旋10°，前交叉韧带处于最大应力状态，前交叉韧带的前内侧束和后外侧束纤维分别朝向不同方向紧张，其间的疏松结缔组织也不同程度增加，使各部位的FA值和ADC值有明显差异且有统计学意义；而本研究采用膝关节伸直位，方便摆放扫描体位，可以很好地与前交叉韧带损伤侧进行对比，但是由于前交叉韧带上段纤维之间的疏松结缔组织较少，使上端与上中部的FA值、ADC值无统计学意义[12]。

3.2 前交叉韧带不同部位弥散张量纤维示踪成像的图像观察

弥散张量纤维示踪成像是通过像素的本证向量来寻找邻近体素的本证向量，使相邻2个体素方向类似的本证向量连接起来显示纤维的方向，依次连接多个相邻体素生成纤维束并以三维形式显示，可以更直观地显示纤维的形态、走行及连接部位，更加准确地评价组织结构的损伤程度及范围[13]。杨献峰等[14]采用中上1/3、中部、中下1/3的3个感兴趣区相互连接，形成前交叉韧带的弥散张量纤维示踪图像，但对前交叉韧带的分束情况显示不清楚。本研究选取上端、上中部、中部、下中部、下端5个感兴趣区，采用弥散张量纤维示踪成像技术相互连接，重建前交叉韧带自股骨外侧髁斜行向内下前方至胫骨髁间隆起前方的空间形态，与前交叉韧带在胫骨附着点处呈扇形展开的解剖结构相符合；弥散张量纤维示踪成像显示的前交叉韧带体部纤维特别清晰，韧带体部的不同颜色代表纤维的走行方向，符合前交叉韧带内部呈波浪状的纤维走行特点，同时可以较好显示前交叉韧带分出的前内侧束和后外侧束，测量韧带的FA和ADC值，为前交叉韧带的内部结构定量评价，尤其是前交叉韧带损伤的不同程度分级提供了有效方法。

3.3 前交叉韧带不同程度损伤的弥散张量纤维示踪成像观测

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[15]。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行致密纤维。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[16]。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[17]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值降低，ADC值增高，FA值与ADC值之间呈负相关。而本研究采用弥散张量纤维示踪成像技术，将前交叉韧带损伤按照不同程度分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，损伤处的FA值和ADC值差异有统计学意义，FA值随损伤程度增高而逐渐降低，ADC值则逐渐增高，其中FA值的相关性最强，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级损伤程度分级的组间比较中，Ⅰ级与Ⅱ级之间的FA值差异无统计学意义，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值相对增高[18]。Ⅰ级与Ⅱ级之间的ADC值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级损伤程度的水分子弥散运动程度相近。

综上所述，弥散张量纤维示踪成像不仅可以观测前交叉韧带及其损伤的三维形态，而且可以测量前交叉韧带不同部位及损伤处的FA值和ADC值，为前交叉韧带及其损伤提供微观结构变化的客观影像资料。