三維快速梯度回波水激發(fā)序列評價(jià)前交叉韌帶損傷后膝關(guān)節(jié)軟骨的形態(tài)學(xué)改變

馬春忠 MA Chunzhong

于曉坤 YU Xiaokun

劉圣源 LIU Shengyuan

李 磊 LI Lei

張 樂 ZHANG Le

三維快速梯度回波水激發(fā)序列評價(jià)前交叉韌帶損傷后膝關(guān)節(jié)軟骨的形態(tài)學(xué)改變

馬春忠 MA Chunzhong

于曉坤 YU Xiaokun

劉圣源 LIU Shengyuan

李 磊 LI Lei

張 樂 ZHANG Le

目的應(yīng)用MRI三維快速梯度回波水激發(fā)序列觀察前交叉韌帶（ACL）損傷后膝關(guān)節(jié)軟骨的形態(tài)學(xué)改變。資料與方法20例單側(cè)膝關(guān)節(jié)ACL損傷患者行MRI三維快速梯度回波水激發(fā)成像掃描，分別掃描患者患側(cè)及健側(cè)膝關(guān)節(jié)，通過矢狀位成像測量膝關(guān)節(jié)不同部位軟骨體積，比較患側(cè)和健側(cè)的差異。結(jié)果ACL損傷患者患側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨總體積小于健側(cè)（t=2.0263, P<0.05）；男性患側(cè)與健側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨總體積比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），女性患側(cè)與健側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨總體積差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=2.6508, P<0.01）；女性與男性比較，股骨外側(cè)髁、脛骨外側(cè)平臺軟骨體積改變更明顯（t=2.0795, P<0.05; t=2.5339, P<0.01）。結(jié)論MRI三維快速梯度回波水激發(fā)序列可以用于評價(jià)前交叉韌帶損傷后膝關(guān)節(jié)軟骨體積的改變，女性前交叉韌帶損傷后膝關(guān)節(jié)軟骨改變更明顯。

前交叉韌帶；膝關(guān)節(jié)軟骨；軟骨，關(guān)節(jié)；磁共振成像；男（雄）性；女（雌）性

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament, ACL）損傷是最常見、最重要的運(yùn)動損傷之一，是導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)和結(jié)構(gòu)改變的直接原因[1]。由于軟骨接觸面承重部位的壓力分布不同[2]，ACL損傷的同時(shí)破壞了股脛關(guān)節(jié)軟骨，最終發(fā)展為骨關(guān)節(jié)炎。MRI是一項(xiàng)非侵襲性、敏感有效的檢查手段，通過對軟骨形態(tài)的定量分析，獲得膝關(guān)節(jié)軟骨的體積和厚度，從而提供重要的有關(guān)病理學(xué)機(jī)制方面的證據(jù)[3-5]。既往研究采用MRI定量分析評價(jià)膝關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)學(xué)改變，發(fā)現(xiàn)在急性ACL損傷后的第1年內(nèi)，出現(xiàn)股骨滑車處的軟骨體積減少，而股骨內(nèi)側(cè)近中央處軟骨有所增加[6]，提示膝關(guān)節(jié)軟骨在急性ACL損傷后會經(jīng)歷一系列形態(tài)學(xué)改變。本研究擬對ACL損傷患者進(jìn)行MRI掃描，并以對側(cè)正常膝關(guān)節(jié)為對照，以評價(jià)ACL損傷早期膝關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)的改變。

1 資料與方法

1.1 研究對象 2013-05~2014-01在天津市第五中心醫(yī)院就診的20例單側(cè)ACL損傷患者，均經(jīng)關(guān)節(jié)鏡手術(shù)證實(shí)，排除明顯膝關(guān)節(jié)軟骨缺損、既往接受膝軟骨手術(shù)、骨關(guān)節(jié)炎及對側(cè)膝關(guān)節(jié)有過外傷、手術(shù)或伴發(fā)其他疾病者。其中男10例，女10例；年齡21~39歲；體重55~79 kg；右膝關(guān)節(jié)損傷11例，左膝關(guān)節(jié)損傷9例；損傷時(shí)間1~6個月。男、女患者年齡、體重指數(shù)及損傷時(shí)間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=5.0123、3.2580、3.6521, P>0.05），見表1。所有受試者均知情同意并簽署知情同意書。

表1 不同性別ACL損傷患者基本資料比較

1.2 儀器與方法 采用Philips 3.0T雙源MRI掃描儀，圖像采集采用膝關(guān)節(jié)自然伸直位，將膝關(guān)節(jié)置于線圈中央，利用矢狀位三維快速梯度回波水激發(fā)序列，TE 5 ms，TR 20 ms，翻轉(zhuǎn)角15°，視野16 cm×16 cm，層厚2 mm，層間距1 mm，重建層厚4 mm。

1.3 圖像分析 將圖像導(dǎo)入Rhinoceros 4.0后處理工作站，膝關(guān)節(jié)骨和軟骨輪廓手動描繪（圖1），三維幾何模型下膝關(guān)節(jié)的骨骼和相應(yīng)的軟骨構(gòu)建的準(zhǔn)確性和精確性可被驗(yàn)證，這個軟骨厚度測量的精確度基于MRI的膝關(guān)節(jié)三維表面模型[2]。

圖1 膝關(guān)節(jié)軟骨體積的MR手動描繪

股骨遠(yuǎn)端的軟骨分為股骨外側(cè)髁（lateral femoral condyle, LF）、股骨內(nèi)側(cè)髁（medial femoral condyle, MF）和滑車（trochlea, Tr），脛骨近端的軟骨分為脛骨外側(cè)平臺（lateral tibial plateau, LT）和脛骨內(nèi)側(cè)平臺（medial tibial plateau, MT）。分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)ACL和后交叉韌帶（posterior cruciate ligament, PCL）的附著點(diǎn)（圖2），軟骨體積用Rhinoceros軟件直接測量。

圖2 膝關(guān)節(jié)軟骨分區(qū)及結(jié)構(gòu)。A為膝關(guān)節(jié)軟骨分區(qū)，綠線：前交叉韌帶位于股骨外側(cè)髁內(nèi)緣的附著處為股骨外側(cè)髁與滑車軟骨的分界；黃線：后交叉韌帶位于股骨內(nèi)側(cè)髁外緣的附著處為股骨內(nèi)側(cè)髁與滑車軟骨的分界；粉線及藍(lán)線：前、后交叉韌帶位于脛骨髁間起始處為脛骨內(nèi)、外側(cè)平臺軟骨的分界；B為膝關(guān)節(jié)軟骨的三維大體圖像；C、D為矢狀位圖像中顯示的前交叉韌帶及后交叉韌帶層面。Patellar：髕骨；Tr：滑車；MF：股骨內(nèi)側(cè)髁；LF：股骨外側(cè)髁；MT：脛骨內(nèi)側(cè)平臺；LT：脛骨外側(cè)平臺

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用Statistica 16.0軟件，以患者健側(cè)軟骨體積作為對照，患側(cè)和健側(cè)軟骨體積比較采用配對t檢驗(yàn)，同時(shí)按性別進(jìn)行分層分析，男性和女性患者組內(nèi)比較采用配對t檢驗(yàn)，P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 健側(cè)與患側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨體積比較 20例ACL損傷患者患側(cè)與健側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨總體積比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=2.0263, P<0.05），其中股骨、脛骨總體積以及LF、LT處患側(cè)與健側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨體積差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=2.0105、2.0100、1.9451、1.9701, P<0.05），而髕骨、MF、Tr和MT處患側(cè)與健側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨體積差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=0.4850、0.2747、0.8414、0.6201, P>0.05），見表2。

2.2 不同性別ACL損傷患者健側(cè)與患側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨體積比較 男性患者患側(cè)與健側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨總體積及各部位軟骨體積差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。女性患者患側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨總體積、股骨及脛骨軟骨總體積及LF、LT處軟骨體積較健側(cè)減小，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=2.6508、2.0314、1.9439、2.0795、2.5339, P<0.01、P<0.05），而髕骨、MF、Tr、MT處軟骨體積差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=0.4207、1.5732、0.8944、0, P>0.05）。見表2。

表2 ACL損傷患者健側(cè)與患側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨體積比較（cm3）

3 討論

本研究利用三維立體軟骨模型對股骨、脛骨及髕骨平均軟骨體積進(jìn)行測量和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)女性ACL損傷后部分承重軟骨體積發(fā)生改變，而男性改變不明顯。

膝關(guān)節(jié)軟骨是關(guān)節(jié)內(nèi)非常重要的結(jié)構(gòu)，在運(yùn)動中起到減壓和軸承作用，其形態(tài)受年齡、性別、體重指數(shù)、運(yùn)動活動水平[7]、骨關(guān)節(jié)炎、疼痛[5]及ACL損傷等[8,9]多種因素的影響，其中ACL損傷是引起軟骨形態(tài)改變的急性因素，動物模型證實(shí)ACL切除導(dǎo)致軟骨細(xì)線化改變[10]。利用釓對比劑增強(qiáng)后的MRI來探測軟骨成像，F(xiàn)leming等[11]發(fā)現(xiàn)當(dāng)人體發(fā)生ACL損傷后軟骨成分發(fā)生改變，提示關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生形態(tài)改變，且改變多發(fā)生在承重部位軟骨，與本研究結(jié)果一致。

Frobell等[12]研究發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)學(xué)改變發(fā)生在ACL損傷后1年內(nèi)，而且軟骨體積減少發(fā)生在大多數(shù)ACL損傷的軟骨中。本研究發(fā)現(xiàn)，女性ACL損傷的軟骨中平均軟骨體積減少，包括LF及LT，可能與ACL損傷造成不穩(wěn)定的膝關(guān)節(jié)中發(fā)生異常的生物力學(xué)運(yùn)動有關(guān)。ACL損傷造成軟骨細(xì)胞的缺乏是由于改變了接觸面軟骨區(qū)的生物力學(xué)方式，使得接觸區(qū)域變小，從而導(dǎo)致軟骨變薄，當(dāng)受力逐步增大，超過軟骨承受范圍后，軟骨形態(tài)漸漸發(fā)生改變[13]。本研究基于上述假設(shè)來探討ACL損傷后造成的一系列軟骨形態(tài)學(xué)的改變，而Van De Velde等[2]發(fā)現(xiàn)正常膝關(guān)節(jié)與ACL損傷后的關(guān)節(jié)軟骨厚度并無顯著差異。因此，本研究利用MRI三維快速梯度回波水激發(fā)序列成像提高軟骨成像質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上對膝關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行形態(tài)學(xué)定量分析，其臨床價(jià)值明顯優(yōu)于常規(guī)序列掃描[14]。

本研究中，女性患側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨改變顯著，而男性不顯著，可能與人體激素水平差異有關(guān)[15]。另外，女性較男性軟骨體積小[16,17]、厚度薄，而薄的軟骨更易造成損傷，這也是女性較男性更容易發(fā)生骨性關(guān)節(jié)炎的原因之一[18,19]。

本研究的局限性在于：①樣本量小，僅有20例患者，需要進(jìn)一步增加樣本量以驗(yàn)證研究結(jié)果；②研究對象僅僅是膝關(guān)節(jié)損傷的一個亞群，并且是針對損傷時(shí)間較短（半年內(nèi)）的患者，因此不能代表所有ACL損傷患者的情況。盡管人體自身左、右膝關(guān)節(jié)本身存在差異[15]，但對于單側(cè)受傷的膝關(guān)節(jié)患者利用對側(cè)正常膝關(guān)節(jié)作為對照仍是有效而準(zhǔn)確的方法，因此可以認(rèn)為本研究結(jié)果在ACL損傷人群中具有普遍意義。

本研究發(fā)現(xiàn)，女性ACL損傷后位于股骨及脛骨外側(cè)承重部位的軟骨體積較健側(cè)明顯減小，而男性ACL損傷后軟骨體積改變不明顯。ACL損傷后早期出現(xiàn)的軟骨細(xì)胞脫失為骨性關(guān)節(jié)炎最初的發(fā)生機(jī)制，女性ACL損傷對軟骨結(jié)構(gòu)的破壞較男性更為嚴(yán)重，尤以股骨及脛骨的外側(cè)軟骨變化顯著?？傊?，本研究利用MRI三維快速梯度回波水激發(fā)序列對ACL損傷后膝關(guān)節(jié)軟骨體積進(jìn)行量化分析，可以為臨床探討早期軟骨形態(tài)學(xué)改變提供更多有價(jià)值的信息。

[1] Brophy RH, Zeltser D, Wright RW, et al. Anterior cruciate ligament reconstruction and concomitant articularcartilage injury: incidence and treatment. Arthroscopy, 2010, 26(1): 112-120.

[2] Van De Velde SK, Bingham JT, Hosseini A, et al. Increased tibiofemoral cartilage contact deformation in patients with anterior cruciate ligament deficiency. Arthritis Rheum, 2009, 60(12): 3693-3702.

[3] Cotofana S, Eckstein F, Wirth W, et al. In vivo measures of cartilage deformation: patterns in healthy and osteoarthritic female knees using 3T MR imaging. Eur Radiol, 2011, 21(6): 1127-1135.

[4] Greater rates of cartilage loss in painful knees than in painfree knees after adjustment for radiographic disease stage: data from the osteoarthritis initiative. Arthritis Rheum, 2011, 63(8): 2257-2267.

[5] Farrokhi S, Colletti PM, Powers CM. Differences in patellar cartilage thickness, transverse relaxation time, and deformational behavior: a comparison of young women with and without patellofemoral pain. Am J Sports Med, 2011, 39(2): 384-391.

[6] Maleki-Fischbach M, Jordan JM. New developments in osteoarthritis. Sex differences in magnetic resonance imagingbased biomarkers and in those of joint metabolism. Arthritis Res Ther, 2010, 12(4): 212.

[7] Mosher TJ, Liu Y, Torok CM. Functional cartilage MRI T2 mapping: evaluating the effect of age and training on knee cartilage response to running. Osteoarthritis Cartilage, 2010, 18(3): 358-364.

[8] Frobell RB. Change in cartilage thickness, posttraumatic bone marrow lesions, and joint fuid volumes after acute ACL disruption: a two-year prospective MRI study of sixty-one subjects. J Bone Joint Surg Am, 2011, 93(12): 1096-1103.

[9] Theologis AA, Kuo D, Cheng J, et al. Evaluation of bone bruises and associated cartilage in anterior cruciate ligamentinjured and -reconstructed knees using quantitative t(1ρ) magnetic resonance imaging: 1-year cohort study. Arthroscopy, 2011, 27(1): 65-76.

[10] Sakane M, Mutsuzaki H, Hattori S, et al. Time dependence of changes of two cartilage layers in anterior cruciate ligament insertion after resection on chondrocyte apoptosis and decrease in glycosaminoglycan. Sports Med Arthrosc Rehabil Ther Technol, 2009, 1(1): 27.

[11] Fleming BC, Oksendahl HL, Mehan WA, et al. Delayed gadolinium-enhanced MR imaging of cartilage (dGEMRIC) following ACL injury. Osteoarthritis Cartilage, 2010, 18(5): 662-667.

[12] Frobell RB, Le Graverand MP, Buck R, et al. The acutely ACL injured knee assessed by MRI: changes in joint fluid, bone marrow lesions, and cartilage during the first year. Osteoarthritis Cartilage, 2009, 17(2): 161-167.

[13] 石銀龍, 王傳兵, 張廉良. MRI水激勵序列顯示膝關(guān)節(jié)軟骨的臨床應(yīng)用. 江蘇醫(yī)藥, 2010, 36(23): 2746-2748.

[14] 喬建蘭, 龔建中, 馬建忠, 等. 磁共振水激發(fā)MEDIC3D序列在膝關(guān)節(jié)成像中的應(yīng)用. 實(shí)用放射學(xué)雜志, 2011, 27(8): 1256-1259, 1286.

[15] Wluka AE, Davis SR, Bailey M, et al. Users of oestrogen replacement therapy have more knee cartilage than non-users. Ann Rheum Dis, 2001, 60(4): 332-336.

[16] Srikanth VK, Fryer JL, Zhai G, et al. A meta-analysis of sex differences prevalence, incidence and severity of osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage, 2005, 13(9): 769-781.

[17] 于小利, 潘兆春, 袁永豐, 等. FS-3D-FISP序列在膝關(guān)節(jié)檢查中的應(yīng)用. 中國臨床醫(yī)學(xué)影像雜志, 2009, 20(11): 877-879.

[18] Eckstein F, Müller S, Faber SC, et al. Side differences of knee joint cartilage volume, thickness, and surface area, and correlation with lower limb dominance--an MRI-based study. Osteoarthritis Cartilage, 2002, 10(12): 914-921.

[19] 姜艷麗, 田金徽, 楊克虎, 等. 磁共振不同成像序列對膝關(guān)節(jié)軟骨損傷診斷價(jià)值的Meta分析. 臨床放射學(xué)雜志, 2012, 31(1): 101-106.

（本文編輯 馮 婕）

Morphological Change of Knee Cartilage After Anterior Cruciate Ligament Injure Using Three-dimensional FFE-WATS

PurposeTo evaluate the morphology changes of knee cartilage after anterior cruciate ligament injury using three-dimensional-TFE-WATS imaging.Materials and MethodsTwenty patients (10 male and 10 female) who had anterior cruciate ligament injury underwent 3D-FFE-WATS scan of both ipsilateral and contralateral knees, the cartilage volume in different parts of the knee joint was measured in sagittal images, and differences between ipsilateral and contralateral knees were compared.ResultsThe volume of knee articular cartilage after ACL injury was lower than that of the normal side, and there was signifcant difference between normal and ACL-injured knees (t=2.0263, P<0.05). In the male group, there was no significant differences between the normal and ACL-injured knee in cartilage volume (P>0.05), while in female group, there was signifcant difference (t=2.6508, P<0.01) in cartilage volume between ACL-injured side and the control side. Compared with the result of male group, cartilage volume change of condylus lateralis femoris and lateral tibial plateau in female group was more obvious (t=2.0795, P<0.05; t=2.5339, P<0.01).Conclusion3D-FFE-WATS imaging can be used to evaluate the change of knee cartilage volume after anterior cruciate ligament injury, the cartilage volume change of women was much obvious than that in males.

Anterior cruciate ligament; Knee cartilage; Cartilage, articular; Magnetic resonance imaging; Male; Female

天津市第五中心醫(yī)院放射科 天津 300450

于曉坤

Department of Radiology, the Fifth Center Hospital of Tianjin, Tianjin 300450, China

Address Correspondence to: YU Xiaokun

E-mail: kitty678711@sina.com

R686；R445.2

2014-02-24

修回日期：2014-07-16

中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志

2014年 第22卷 第8期：620-623

Chinese Journal of Medical Imaging

2014 Volume 22 (8): 620-623

10.3969/j.issn.1005-5185.2014.08.018