膝关节解剖因素与前交叉韧带磁共振成像信号强度相关性分析

2024-05-07孙婧怡钱驿赵盈绮高奉李磊贺忱果森周敬滨

中国运动医学杂志 2024年2期

孙婧怡钱驿赵盈绮高奉李磊贺忱果森周敬滨

1 成都体育学院（成都 610041）

2 国家体育总局运动医学研究所（北京 100029）

3 国家体育总局运动创伤与康复重点实验室（北京 100010）

前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤是常见的膝关节运动损伤之一，ACL损伤在全球范围内仍然呈上升趋势[1]。研究[2-5]发现，ACL损伤与性别、运动水平，以及膝关节解剖形态等因素相关。其中胫骨平台后倾角（posterior tibial slope，PTS）增大、髁间窝狭窄、髁间棘高度低矮、髁间窝宽度指数（notch width index，NWI）减小以及半月板-胫骨平台角（meniscus-bone angle，MBA）减小等都是ACL损伤的解剖风险因素。

研究表明，PTS 是增加ACL 损伤的重要解剖学危险因素之一[6]，无论ACL 完整与否，过大的PTS 角度会增加膝关节对胫骨的前向剪切力[7]，引起胫骨平台前移程度增加[8]，间接使胫骨和股骨在行走脚着地时内旋增加，ACL 受力增大[9]。此外，Domzalski 等[10]发现在未成年人群中，膝关节正常人群和 ACL 损伤人群之间NWI 的平均值存在显著差异，认为NWI 对于预防ACL损伤是积极的解剖因素。但同时作者也指出对于ACL损伤的年轻运动群体需要进一步研究，评估膝关节损伤的风险。胫骨髁间棘的双棘形态限制了膝关节的旋转，其大小可能影响ACL 在膝关节活动过程中所受应力[4]。Beaulieu 等[5]在一项针对大学生运动员的研究中发现，外侧MBA 能很好地作为预测非接触性ACL 损伤的解剖因素，较大的MBA角在膝关节整个屈曲过程中能对股骨提供一个更大的接触应力，以此抵抗胫骨相对于股骨的前移，从而降低ACL损伤的风险。

ACL损伤的解剖风险特征是否会对原生ACL的生物学特征产生潜在的影响尚不清楚[11]。既往研究中常通过磁共振成像（magntic resonance imaging，MRI）测量评估韧带或术后移植物质量的均匀性和结构完整性[12]，使用灰度来预测动物模型中韧带的体外生物力学特性[13]，或采用信噪比（signal to noise quotient，SNQ）来评估ACL重建术后移植物的健康和成熟程度[14]。较低的信号提示韧带具有排列更整齐的胶原纤维组织和更好的拉伸强度。因此，本研究采用MRI检查评估健康人群的ACL 影像学特征，分析其与常见的ACL 损伤或再损伤膝关节解剖风险因素的关系，后者包括胫骨平台骨性后倾角、胫骨平台软组织后倾角、MBA、NWI、髁间嵴高度。

1 对象与方法

1.1 研究对象

本研究于2023 年1～5 月招募健康受试者。在获得每位健康受试者的知情同意后，收集其基本信息并进行影像学测量。纳入标准：①无前交叉韧带损伤及病史；②无半月板或其他韧带等损伤及病史；③20～50岁；④骨骺已闭合。排除标准：①目前膝前痛，或既往有慢性膝前痛病史；②髌腱或股四头肌肌腱损伤史；③MRI发现ACL粘液样变性，ACL或PCL囊肿；④膝骨关节炎；⑤多发韧带松弛；⑥下肢骨折或其他导致下肢活动障碍的疾病病史；⑦专业运动员；⑧膝关节内翻畸形或外翻畸形。

1.2 检查设备

使用3.0T MRI（GE Signa HDx，美国）行膝关节MRI检查，所有参与者的体位均为仰卧位，膝关节位于线圈中心，膝关节处于伸直位。扫描序列包括：矢状面 SE 序列 T1WI，TR 560 ms、TE 24 ms；冠状面SE 序列，T2WI，TR 2100 ms、TE 90 ms；横断面GE序列 TR 540 ms、TE 18 ms，偏转角度 40。FOV 170 mm×170 mm。层厚5 mm，层间距0.5 mm。图像分析软件使用 ImageJ 1.8.0.112（NIH，德国）与Digimizer 5.4.4.0（MedCalc Software Ltd，比利时）。

1.3 测量方法

在MRI不同矢状面脂肪抑制序列中分别选择移植物近端、中段、远端直径为5 mm 的圆形作为研究区域。此外，本研究为了保证不同部位选取的研究区域的代表性和重复测量的稳定性，在确定研究区域时保证圆形区域与移植物的边缘相切，即确保所选取的研究区域包括了所选部位移植物的全层。股四头肌腱部位（髌骨顶部约1 cm），在股四头肌肌腱处选择同样的与股四头肌腱边缘相切的圆形参考区域（图1A），在髌前方2 cm 选择一处作为背景区域[15]（图1B）。每个部位的SNQ 计算公式如下：SNQ（研究区域）=（研究区域信号强度均值—参考区域信号强度均值）/背景区域信号强度均值。其中ACL 平均SNQ 计算公式为：SNQ（平均）=（SNQ（近端）+SNQ（远端）+SNQ（中段））/3[16]。

图1 MRI中信号测量位点示意图

根据Hudek等[17]提出的三步法，使用MRI测量每例受试者内、外侧胫骨平台骨性后倾角及软组织后倾角（图2 A、B）。选取同时可见后交叉韧带末端以及纵向ACL 的层面进行股骨双髁和髁间窝宽度的测量[18]（图2 C），将髁间窝宽度除以双髁宽度来计算NWI[19]。使用Hosseinzadeh 等[20]描述的技术，在可以看到胫骨髁间棘整个高度的冠状切面上测量胫骨内、外侧髁间棘的高度（图2D）。使用Sturnick 等[4]描述的技术分别在矢状切面上测量内外侧半月板后角的上表面与内外侧胫骨平台骨性关节面之间的夹角，即MBA（图2 E）。

图2 MRI中膝关节解剖指标的测量示意图

1.4 一致性检验

所有测量均由同一作者独立完成。为了评估测量方法的一致性，在正式测量之前，从所纳入患者中随机选出30例，由两位作者分别进行测量；2周之后再由其中一位重复测量；利用测量数据计算组间相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）。结果显示，观察者间内侧胫骨平台骨性后倾角测量值的ICC为0.80；内侧胫骨平台软组织后倾角测量值的ICC为0.75；外侧胫骨平台骨性后倾角测量值的ICC为0.77；外侧胫骨平台软组织后倾角测量值的ICC 为0.80；内侧MBA 测量值的ICC 为0.76；内侧MBA 测量值的ICC 为0.82；NWI 测量值的ICC 为0.85；内侧髁间嵴高度测量值的ICC 为0.89；外侧髁间嵴高度测量值的ICC 为0.81；ACL 信号强度测量值的ICC 为0.93。所有测量方法的ICC 均≥0.75，表明一致性良好。

1.5 统计学方法

采用SPSS 26.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）统计软件进行数据分析。连续变量表示为平均值±标准差（±s），分类变量采用百分比表示。使用Pearson相关分析性别、年龄、胫骨平台骨性后倾角、胫骨平台软组织后倾角、MBA、NWI、髁间嵴高度与ACL 信号强度相关性，并使用线性回归模型进一步分析相关因素对健康人群ACL信号强度的影响。为便于进行线性回归分析，本研究将二分类变量，即性别（男/女）转化为哑变量，赋值男性为0，女性为1。P＜0.05 认为有统计学意义。

2 结果

根据上述纳入及排除标准，本研究共纳入健康受试者100 例，男性54 例、女性46 例，年龄36.87 ± 7.21岁（20～50 岁），内侧胫骨平台骨性后倾角为4.14° ±2.44°；外侧胫骨平台骨性后倾角为4.83° ± 3.25°；内侧胫骨平台软组织后倾角为3.70° ± 2.45°；外侧胫骨平台软组织后倾角为3.63° ± 2.22°；NWI为0.22 ± 0.03；内侧髁间嵴高度为9.49 ± 1.35 mm；外侧髁间嵴高度为8.41 ± 1.34 mm；内侧MBA 角为26.15° ± 3.30°；外侧MBA 角为24.77° ± 3.68°；ACL 的SNQ 平均值为15.17 ± 6.86。

性别、外侧MBA与ACL的SNQ均呈现出显著相关性（r=－ 0.283，P=0.004＜0.05；r=－ 0.213，P=0.033＜0.05），而年龄、内侧胫骨平台骨性后倾角、内侧胫骨平台软组织后倾角、外侧胫骨平台骨性后倾角、外侧胫骨平台软组织后倾角、内侧MBA、NWI、内侧髁间嵴高度、外侧髁间嵴高度与ACL的SNQ相关性均无统计学意义（P＞0.05）（表1）。

表1 影响健康人群ACL磁共振MRI信号强度的单因素分析结果

将年龄、性别、内侧胫骨平台骨性后倾角、内侧胫骨平台软组织后倾角、外侧胫骨平台骨性后倾角、外侧胫骨平台软组织后倾角、内侧MBA、外侧MBA、NWI、内侧髁间嵴高度、外侧髁间嵴高度作为自变量，进行多重线性回归分析，结果显示，不同性别（女性较男性）对健康人群的ACL 的SNQ 影响有统计学差异（B=－3.789，t=－2.907，P=0.005），表明健康人群中女性相对于男性ACL的MRI信号强度较小；外侧MBA对健康人群ACL 的SNQ 影响有统计学差异（B=－0.377，t=－2.126，P=0.036），表明外侧MBA 角每减少1 个单位（本研究中一个单位等于1°），SNQ 值会增加0.377 个单位。见表2。

表2 多因素线性回归分析结果

3 讨论

本研究最主要的发现是健康人群膝关节外侧MBA和性别与ACL 的MRI 信号强度之间存在显著相关性。在健康人群中，外侧MBA 越大，ACL 信号强度越低，女性ACL信号强度较男性更低。这一结果与既往研究[21，22]一致，膝关节外侧MBA 较小和性别差异都是影响ACL 的MRI 信号强度改变和ACL 损伤的相关因素。ACL 重建术后移植物成熟的过程称为“韧带化”，而韧带化过程会影响移植物生物力学特性[23]。在ACL重建术后的随访研究中发现，ACL 移植物的MRI 信号强度越低，韧带化越好，可能相应的生物力学功能越好[24]。目前缺乏原生ACL信号强度与ACL生物力学性质的研究，本研究结果提示膝关节解剖结构外侧MBA大和女性人群的ACL生物力学功能更好。

本研究中外侧MBA 角平均值为24.77°，这与既往国外研究中健康人群的外侧MBA 角26°相近[25]。外侧半月板能辅助限制外侧胫骨平台相对股骨外侧髁的前移，是膝关节稳定性的次级稳定结构，与前交叉韧带损伤后的膝关节旋转不稳定有关[26]。外侧MBA 越大，外侧半月板后角对于胫骨相对股骨前移的限制作用越强。Teixeira 等[25]研究发现，MBA 等于或小于22°可能与ACL 撕裂风险增加有关。有研究表明[27]，当进行外侧半月板切除术时胫骨的内旋增加，因此，外侧半月板与ACL一起在膝关节旋转稳定性中发挥重要作用。本研究发现，外侧MBA 越小，ACL 信号强度越高，提示可能外侧MBA 小的人，ACL 的正常生理状态也不同。外侧MBA 的降低可能会增加ACL 重建术后再损伤的风险[28]。Sturnick[22]发现外侧MBA 角每减少1°，ACL 损伤风险会增加23%。在本研究中，健康人群外侧MBA 角每减少1°，SNQ值会增加0.377。但健康ACL的SNQ值大小与ACL损伤风险的具体关系尚待进一步研究。

女性运动员ACL 损伤率显著高于男性运动员[29]，其原因和很多因素有关，可能和女性运动员的运动习惯和技术动作要求等外因相关，也可能与下肢解剖特点、激素差异等内因有关，如胫骨平台后倾角较大[30]等。Komatsuda 等[31]发现高雌激素水平会增加ACL 损伤风险，影响韧带强度，但对完整ACL组织的临床影响尚不清楚。Hashemi 等[32]曾报道在ACL 的超微结构特征中，男性每单位面积的平均胶原蛋白原纤维数量明显比女性更大，但ACL在MRI上显示的信号仍然相似，说明ACL组织整体的大小并不影响在MRI上的信号强度。随后Barnett 等[33]研究也显示，尽管男性的ACL 体积、平均横截面积和长度均大于女性，但在ACL的纤维排列、胶原成分等组织学表现中没有观察到性别差异，女性的ACL的生物力学强度是否比男性的更差尚不清楚。而本研究发现，健康人群中女性ACL 的MRI 信号强度较男性小，与赵盈绮等[23]研究结果一致，提示女性ACL 纤维的生物力学表现可能与男性不同，在健康人群中，女性相较于男性的ACL生物力学功能可能更佳，但女性ACL 损伤风险却较高，这与之前的假设不太一致。这提示了女性ACL 受损的机制可能更为复杂，未来的研究需要更深入地探究女性ACL受损的生物力学基础，以制定更有效的预防和治疗策略。

本研究还纳入了其他与ACL损伤或再损伤有关的膝关节解剖风险因素，包括胫骨平台骨性后倾角、胫骨平台软组织后倾角、内侧MBA、NWI、髁间嵴高度，结果表明，这些因素都与ACL 的MRI 信号无显著相关性。这可能与研究对象的选取有关。既往研究提示，解剖风险因素对男性和女性的影响是不同的。例如，在女性运动员中，胫骨平台软组织后倾角过大会增加ACL损伤的风险，但与男性运动员的ACL 损伤无关[23，34，35]。本研究中纳入了男性和女性的健康人共100 名，女性46 名，若仅针对女性健康人群做进一步研究可能发现不同的结果。另一方面，本研究是针对普通健康人群的研究，而一些报道胫骨平台软组织后倾角、股骨髁间宽度是ACL 损伤因素的文献[5，36]，其研究对象是运动员，可能这些解剖因素对运动员和正常人的影响是不同的。

本研究尚有以下局限性：①本研究虽然纳入了100例健康受试者，包含男性和女性、20到50岁的人群，因此，具体到特定年龄和特定性别的人相对较少；②本研究没有对研究对象的身高和体重进行分析，这些因素可能对ACL 长期受到的应力产生影响，可能对ACL 的MRI 信号表现产生影响；③目前ACL 的MRI 强度有多种测量方法，每种测量方法获得的ACL 信号强度描述方式不同，本研究仅选用了MRI 测量中的一种最常用的方法进行测量。Sim 等[37]计算ACL 信号强度时，用ACL 与PCL 的信号强度比值来分析，与本研究所参考的方式不同，但两种方法也具有一定的可比性。