基于MRI的膝关节后外侧复合体测量在膝关节退行性疾病中的应用研究

段丽欢 张雅晨

(1天津市东丽医院放射科,天津 300300;2天津市东丽区军粮城医院放射科)

近年来,膝关节退行性疾病发病率逐年升高,严重影响了患者的生活健康。膝关节退行性疾病中,运动相关性关节损伤占有重要地位[1]。但是目前关于膝关节退行性疾病的早期诊断和检测方法一直尚未定论。MRI是一种无创的影像学检测方法,膝关节后外侧结构(PLC)是位于膝关节后外侧区域的复杂解剖和功能复合体,由多个肌腱和韧带组成[2]。通过MRI检测膝关节后外侧复合体中肌腱的厚度,可以为膝关节退行性疾病发生发展的提供一种检测指标[3]。本文研究各种原因接受膝关节磁共振成像检查的患者作为研究对象,探究基于MRI的膝关节后外侧复合体测量在膝关节退行性疾病中的应用,现报告如下

临床资料

1 一般资料:选取2018年6月-2019年12月我院骨科就诊的200例膝关节慢性退行性变的患者。其中男性96例,女性104例,年龄13-56岁,平均年龄为54.87岁(SD=12.45)。

2 方法:MRI检查。磁共振成像检查是在1.5T核磁设备(德国西门子)。T1加权SE(TR/TE=600/15 ms,256×512像素,3 mm层厚,3次采集,冠状位)显示后外侧和外侧隔室的软骨层、副韧带和半月板中间部分。随后的质子密度和T2加权SE序列(TR/TE=2000/20/80 ms,256×256像素,3 mm层厚,1次采集)呈矢状方向,中间夹角为15°,以准确显示十字韧带、半月板前后角和髁突软骨。第3个序列是中等T2加权的3D FISP(TR/TE/翻转角度=42/12 ms/40,64个分区,1.5 mm层厚),主要是矢状位,允许重新评估所有检查结果。为了证明新的MRI技术在检测退行性关节疾病方面的影响,可以在200例患者中的100个亚组中测试其他3种技术:T1加权(TR TE=600/15 ms,256×512像素,3 mm层厚)。3次采集,冠状位,化学位移脂肪抑制,T2加权梯度回波(GE:FLASH。TR/TE/翻转角度=400/12 ms,20),磁化传递对比度(MTC:1400 ms偏移。240 Hz带宽,8.13 ms)。根据损伤程度判断软骨病变,根据类型判断半月板病变。膝后外侧结构的测量研究中主要是针对膝外侧复合体中后外侧副韧带的厚度,在MRI检查后,收集每位患者膝关节后横断面图像,每张图片请3位在临床上工作6年以上技师进行检测,测量后外侧副韧带的厚度,取平均值作为最终数据(图1)。200例患者膝外侧复合体中后外侧副韧带的厚度,分别与MRI诊断进行对比,检测膝外侧复合体中后外侧副韧带的厚度对膝关节退行性改变的诊断意义。

图1 半月板损伤分级与后外侧副韧带厚度测量

3 统计学方法:利用描述性统计MRI评分,并分析与临床数据和体力活动有关的评分值。相关性通过卡方(x2)检验、Bowker检验或Spearman秩相关检验进行验证。P＜0.05有统计学差异。

4 结果

4.1 膝关节退行性改变评分:在临床症状检查中,200例患者中75%的患者发现软骨退行性改变(图2-1),退行性半月板改变的部位与撕裂部位相同(图2-2)。对每个关节的4个半月板区域进行评估,结果显示,1280个半月板区域中有888个(69.4%)完整,10%(n=128)有退行性变,11.4%(n=146)有撕裂,9.2%(n=118)有复杂病变。MRI诊断软骨和半月板病变的准确率:对200个关节的每个单独软骨表面和半月板区域进行MRI和临床症状检查的比较显示了敏感性和特异性以及预测值,见表1。磁共振成像诊断1级和2级病变的病例分别为14%和32%。更严重的缺陷阶段(3级和4级)分别敏感地检测到94%和100%。晚期软骨局灶性变薄或剥脱(3级或4级),所有序列的敏感性均超过90%(图2-3)。临床症状下软骨退行性变分期与MRI分期符合率为75%,1920个关节面中1435个关节面分期相同。然而,MRI显示出低估损伤严重程度的倾向(Bowker对称性检验;P＜0.001,显著)。MRI对半月板撕裂的检出率低于临床症状检查,但MRI对半月板退变的检出率更高(Bowker对称性检验,P＜0.01,有显著性意义)。使用评分值对膝关节的总损伤(轻度、中度或重度变化)进行分级,以便比较MRI和临床症状检查结果,见表2。2种方法的个体评分值之间的总体一致性为81%(200个关节中有285个),证明MRI允许对关节损伤进行整体分级。磁共振成像显示总体倾向于低估关节损伤的严重程度(鲍克试验;P＜0.001,显著)。

表2 临床症状和MRI在膝关节退行性变评分的相关性

图2-3 MRI显示软骨和半月板退行性改变

表1 MRI诊断软骨和半月板病变的准确率(%)

图2-1 膝临床症状检查中软骨瘤性关节改变的频率和分布1-4级(n=200例)mfc股骨内髁;Ifc股骨外髁;mtp胫骨内平台;ltp胫骨外平台

图2-2 内侧和外侧半月板前角和后角半月板病变(退变、撕裂、复杂病变)的分布(200例患者1274个区域)

4.2 临床及运动史与MRI结果的相关性:患者年龄与退行性关节病的发病率和严重程度呈正相关(图2-4a)。既往有严重外伤史且膝关节结构或功能未完全重建的患者,MRI显示半月板或软骨有57%的严重改变(42例患者中有24例;图2-4b),在创伤后膝关节稳定无缺损的患者中,仅有26%的患者有严重的关节改变(198例患者中有52例)。体力活动的类型和强度与严重关节退变的频率没有直接关系,见表3。顶级联赛的活跃运动员(国家、地区尽管顶级联赛运动员的训练量大于美国运动员,但在MRI上的中度至重度关节改变甚至少于竞技水平较低的运动员(17%vs37%;Fisher精确检验,P＜0.0001)。在该组运动员每周进行4-7次训练,严重关节炎与运动量较少的运动员组相比,在2-3次训练中发现损伤的频率较低(16% vs36%:Fisher精确检验,P=0.018)。Tegner评分与关节损伤频率无相关性。得分在8-10分之间的运动员,其关节损伤的发生率(37%)并不高于得分在4-7分之间的运动员(38%)或得分在1-3分之间的运动员(35%)(Spearman等级相关,P=0.572)。因此,MRI技术能够准确无创地显示膝关节的整体状况,可用于运动医学。

图2-4a 不同MR技术对软骨损伤早期(1级和2级病变伴间质和浅表变性)和确定期(3级和4级病变伴变薄和剥脱)诊断的敏感性。SE两个序列的总灵敏度(SE,512 x 512矩阵,冠状切片,加上质子密度和T2加权SE矢状切片)

图2-4b MRI上中度至重度关节改变的频率取决于患者的年龄和b严重膝关节创伤史

表3 膝关节MRI病变总积分与临床及体力活动史的相关性研究

4.3 膝关节后外侧复合体(PLC)结构的测量:(1)腘腱(PT)。腘腱干长(31.39±6.11)mm,宽(5.31±0.49)mm,外侧束长(16.21±4.02)mm,内侧束长(15.76±4.46)mm。在CVH图像中,PT呈暗红色,并且在MR图像中具有低信号强度和清晰边界。(2)腘腓韧带(PFL)。PFL的长度为(18.55±4.01)mm,宽度为(2.44±0.62)mm,厚度为(1.68±0.11)mm。横位MR图像难以准确识别韧带,CVH冠状位图像显示低信号强度,形状与MR冠状位图像相同。(3)腘弓韧带(APL)。侧头较厚较长,长(18.11±3.05)mm,宽(10.10±2.29)mm。内侧头较短,长(12.83±1.4)mm,宽(4.37±0.9)mm。在MR图像中,它不能与邻近的关节囊和脂肪的高信号强度连续识别和区分。(4)腓骨副韧带(FCL)。长(42.12±8.67)mm,宽(4.15±0.16)mm,厚(2.58±0.24)mm。在CVH横切面图像上,FCL呈规则的椭圆形结构,在CVH冠状面图像上,FCL长而窄,呈暗红色。FCL信号强度低,MR图像边界清晰。(5)股二头肌腱(BT)。长度为(69.07±10.94)mm,宽度为(8.37±1.69)mm。在CVH图像上BT呈暗红色;在CVH冠状面图像上BT窄而长,位于股二头肌和腓骨头之间以及APL外侧。磁共振图像上,信号强度低,边界清晰。(6)腓韧带(FFL)。FFL长28.27mm,宽5.28mm,在CVH图像中呈暗红色;在MR图像上信号强度低,边界清晰。见图2-5、图2-6。

图2-5 基于CVH冠状位图像的膝关节三维重建及膝关节结构的形态和地形关系

图2-6 基于CVH横切面图像的膝关节三维重建后视图及膝关节结构的形态和地形关系

4.4 PLC结构的测量与膝关节退行性疾病诊断的相关性:本研究测量了200个标本股骨远端前后缘之间的距离。测量数据表明,同一人左右膝关节的数值相等或有微小差异。6个样本的测量结果显示,CVH-1和CVH-5的高度相同,而CVH-2样本的高度比CVH-1和CVH-5短,并且由于样本的性别和身高差异,样本值没有显著差异。在膝关节退行性疾病,男性膝关节退行性疾病与女性数据集相比,左膝关节远端外侧股骨前后缘的距离分别为71.29 mm和61.88mm,右膝关节前后缘的距离分别为71.29 mm和61.89 mm。膝关节退行性疾病膝关节股骨远端外侧缘前后缘距离为(66.59±5.43)mm。膝关节退行性疾病男性的距离值大于膝关节退行性疾病女性。PI.C结构中的FCL和PT与基体的结合是恒定的股骨。从侧面FCL置入于股骨外侧髁突,PT置入于腋窝。股骨外侧髁窝和股骨腱骨交界处通常位于PT的前上方。然而,CVH-5的右膝和膝关节退行性疾病男性的左膝的重心位于PT的后上方,占10个样本的20%。(1)FCL常附着于腓骨头上侧后外侧关节面。腱骨结合区大小不规则,平均接触面积为(50.34±38.58)mm2。而膝关节退行性疾病数据集为(69.88±54.88)mm2。FCL腓腱-骨连接点的中心点大多位于腓上关节面的后外侧,只有CVH-1左右膝FCL腱-骨连接点的中心点位于腓上关节面的外侧缘。BT常附着于腓骨上侧中后关节面。腱骨结合区大小不规则,平均接触面积为(62.76±28.37)mm2,CVH数 据 为(58.94±27.14)mm2,膝关节退行性疾病数据为(68.50±33.37)mm2。(2)BT腱-骨连接的中心点位于腓骨上侧的中后关节面。PFL常附着于腓骨头尖。接触面积小于FCL和BT,平均接触面积为(16.04±11.43)mm2,CVH数据集的平均接触面积为(11.72±5.83)mm2。其中膝关节退行性疾病数据集的面积为(22.52±15.56)mm2。中心点位于腓骨头尖。在90%的标本中,FCL腱骨的后上缘与BT腱骨的前上缘相邻鉴于PFL腱-骨连接处与BT腱-骨连接处不相邻。FCL中心点与BT肌腱骨功能的距离为(6.85±1.8)2mm。FCL与PFL腱骨交界处中心点间距为(16.27±3.34)mm,BT与PFL腱骨交界处中心点间距为(10.58±3.13)mm。在CVH数据集中。FCL与BT、FCL与PEL、BT与PFL骨连接中心点之间的距离为(6.03±0.89)mm。(14.81±3.33)mm。和(10.07±2.47)mm.在膝关节退行性疾病数据集中,FCL与BT、FCL与PFL以及BT与PFL肌腱-骨连接处的中心点之间的距离分别为(8.08±2.29)mm、(18.48±2.07)mm和(11.34±4.24)mm。见图2-7、图2-8。表4、表5。

图2-7 股骨FCL和PT腱骨连接点之间的距离测量方案。(A)股骨-股骨连接的侧视图,显示股骨FCL和股骨-股骨连接中心点之间的距离为18.5 mm。(B)单束单隧道测量方案。(C)股骨双束双隧道测量方案。(D)CVH股肌腱骨功能侧视图:股骨FCL与PT肌腱骨功能中心点的距离平均为7.73mm。(E)针对中国人股骨单隧道测量方案。选择FCL与PT腱骨结合部中心点的中间位置作为隧道点

表4 CVH和膝关节退行性变患者中PLC股骨相关结构的测量

表5 CVH和膝关节退行性变患者中PLC腓骨相关结构的测量

讨 论

虽然MRI已用于运动员关节变化的一些流行病学研究,但该方法在该领域正变得越来越重要。主要是特定的运动员群体,如职业足球和篮球运动员、慢跑运动员、长跑运动员和青少年足球运动员。研究表明,在半月板和软骨重建过程的信号变化更频繁地在高度活跃的人比不太活跃的人明显[4]。Brunner等人观察到55%的职业篮球运动员半月板的信号变化,Heilmeier[5]等人观察到只有25%的非运动员半月板的信号变化。半月板变化与体力活动之间的关系进一步表明,只有10%的活动个体在体力劳动后信号强度增加,而50%的未经训练的个体在体力劳动后信号强度增加[6]。此外,Xia[7]等人显示,在1年的持续体力活动期间,纵向对照组半月板的信号强度增加。缺乏关节镜检查是对这些研究结果的一个重要异议,这使得很难估计MRI表现的临床和病理生理学意义。慢营养组织中的信号变化甚至可能是生理适应过程的标志。在MRI上识别早期退行性变需要一种可靠的参考方法。

生理应激和关节运动对慢营养性关节的营养和功能至关重要。但是过度劳累会对软骨和半月板造成持续性损伤[8]。体力劳动可以支持或损害缓慢的组织,没有限制尚不清楚。杨君[9]等人在MRI上观察到股骨髁软骨厚度的增加,这是年轻足球运动员经过几年的广泛训练后对活动的生理适应的标志,好几年了软骨平均比对照组厚25%。另一方面,在老年足球运动员明显退行性关节改变已被观察到。

磁共振成像可以可靠地检查慢性关节病变,无创检测和分级。随着磁共振成像技术的日益普及和新技术的发展,磁共振成像技术必将在运动医学和流行病学研究中发挥重要作用[10]。这种方法只有在能够敏感地检测出退化的早期阶段时才会被广泛接受。本文通过对每位对象的一般人口学资料,包括年龄、性别、身高、体质量等。将MRI图像与中国国人可视图像(CVH)进行对比研究。PLC数据主要由腓侧副韧带(FCL)、腘腓韧带(PFL)、腘弓状韧带(APL)、腘肌腱(PT)、腓腓韧带(FFL)和股二头肌腱(BT)组成。这些结构的起源或插入位置彼此接近,共同维持了PLC的稳定性。FCL、PT与股骨有固定附着,FCL、BT、PFL与腓骨有固定附着。各结构的肌腱和骨骼连接处形态不一致,接触面积也不相同,肌腱和骨骼连接处的位置相似。CVH数据集的所有测量值均小于膝关节退行性疾病数据集。在腱骨交界处,中心点之间的平均距离为(8.84±1.62)mm,〔CVH数据集中为(7.73±)1.44mm,膝关节退行性疾病数据集中为(9.50±1.38)mm〕。PT和FCL起源于股骨外侧髁。APL呈“Y”形的发生率为100%。其外侧头和后外侧头分别起源于靠近股骨外侧髁的纤维囊的后外侧部和后外侧下部。FCL、BT、APL、PT、PFL和FFL在腓骨头后外侧有相邻的插入。通过MRI测量膝关节后外侧复合体中后外侧副韧带的厚度提示对比后外侧副韧带的厚度测量数据和膝关节评分系统发现,后外侧副韧带的厚度和膝关节损伤程度呈负相关(P＜0.01)。然而,后外侧副韧带的厚度较单纯MRI,提示半月板退行性变数量更多,相关性更加密切(P＜0.01)。MRI检测后外侧副韧带的厚度是一种有效的无创成像方法,可以准确定位和量化软骨和半月板的慢性关节改变,为膝关节退行性改变的监测提供了一种新的测量方法。