王博 潘詩農(nóng)*

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）是穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)的重要結(jié)構(gòu)，其損傷在運(yùn)動醫(yī)學(xué)中最常見，采用肌腱進(jìn)行移植的重建手術(shù)是目前常規(guī)治療方法,病人接受ACL重建手術(shù)后能及早康復(fù)和重返運(yùn)動是手術(shù)成功的標(biāo)志，而過早地運(yùn)動及提高體力工作強(qiáng)度會增加再受傷的風(fēng)險(xiǎn)。移植物的愈合過程是因人而異的，有部分病人在術(shù)后2年仍然無法完全恢復(fù)ACL的力學(xué)負(fù)荷要求[1]。由于缺乏統(tǒng)一、定量、無創(chuàng)的評估指標(biāo)，目前移植物成熟度主要根據(jù)手術(shù)時(shí)間進(jìn)行估算，但這難以精確地評價(jià)每例病人的愈合程度。采用MRI評價(jià)移植物成熟度是近年研究的熱點(diǎn)，因此本文針對該方面的研究進(jìn)展予以綜述。

1 移植物成熟的組織學(xué)機(jī)制

在ACL重建術(shù)后，原有的ACL被游離的肌腱移植物所替代，移植物愈合有2個(gè)主要過程，分別為移植物與骨隧道的“肌腱-骨愈合”和關(guān)節(jié)內(nèi)移植物的“韌帶化”。移植物的“韌帶化”一般可以分為3個(gè)階段[2]：①早期炎癥階段,指術(shù)后前4周，移植物出現(xiàn)中心壞死、細(xì)胞數(shù)目減少，周邊的關(guān)節(jié)液、ACL殘端及來自孔道的骨髓成分細(xì)胞大量流入移植物的周圍。②血運(yùn)重建階段,ACL重建術(shù)后4～12周，移植物壞死導(dǎo)致生長因子釋放，刺激細(xì)胞的活性變化、細(xì)胞外基質(zhì)合成和血運(yùn)重建。肌成纖維細(xì)胞數(shù)量增加，提供后期韌帶化階段所需的原位張力[3]。由于膠原結(jié)構(gòu)和卷曲模式的改變及膠原纖維的密度減低，移植物在6～8周時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度最弱。③后期重塑階段，指ACL重建術(shù)12周以后，細(xì)胞數(shù)量及血供在3～12個(gè)月間緩慢恢復(fù)。經(jīng)歷一系列未知的生理變化后，移植物完全成熟，已達(dá)到完整ACL的形態(tài)和機(jī)械強(qiáng)度，即“韌帶化”。在光學(xué)顯微鏡下，無法從外觀鑒別成熟的移植物和正常的ACL，但在電子顯微鏡下，從超微結(jié)構(gòu)水平上移植物顯示出典型的大直徑膠原纖維的缺失，大部分膠原纖維直徑＜50 nm，從而導(dǎo)致小直徑膠原纖維的單峰分布，而非正常ACL的雙峰混合分布模式；經(jīng)過術(shù)后2年該超微結(jié)構(gòu)不再發(fā)生明顯變化[4]。完整ACL膠原纖維的直徑不均一性永遠(yuǎn)無法恢復(fù)。移植物在體內(nèi)完全成熟所需的最短時(shí)間尚不明確，目前也缺乏判斷移植物完全成熟的客觀指標(biāo)。

2 MRI對評價(jià)移植物成熟度的應(yīng)用價(jià)值

2.1 常規(guī)MRI分析 以往動物實(shí)驗(yàn)研究[5]表明，MRI有助于預(yù)測ACL重建術(shù)后移植物的生物力學(xué)及組織學(xué)特性，MRI信號強(qiáng)度（signal intensity，SI）的測量也越來越多地應(yīng)用于臨床研究，測量SI方法主要應(yīng)用于質(zhì)子密度加權(quán)像 (proton density weighted image,PDWI)及 T2WI。 Howell等[6]首次提出 MRI分級系統(tǒng)，將ACL重建術(shù)后移植物測得的信號分為低、中、高，其中SI越低，ACL移植物的成熟度越高。有研究[7-9]顯示，在術(shù)后6個(gè)月時(shí)移植物SI達(dá)到峰值，隨后逐漸下降；但由于SI的高低受MRI采集參數(shù)、掃描設(shè)備特性及病人位置等因素的影響，SI不能對生物的組織特性進(jìn)行絕對量化。為了對移植物的SI灰度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，多數(shù)研究[7,9-10]使用信噪比（signal-to-noise quotient，SNQ）進(jìn)行測量，具體計(jì)算公式為 SNQ＝（SI移植物-SI股四頭肌肌腱）/SI背景噪聲；亦可以為 SNQ＝（SI移植物-SI后交叉韌帶）/SI背景噪聲[8,11]。 值得注意的是，傳統(tǒng)上使用單個(gè)圖像測量單獨(dú)信號和噪聲確定SNQ的方法通常存在偏差，因?yàn)樵肼暤姆植加煽臻g不斷變化的幾何因素決定，并受線圈幾何形狀及加速度因素等參數(shù)的影響，背景噪聲興趣區(qū)（ROI）位置的選取也會影響SNQ。因此，應(yīng)在多線圈多通道并行采集下，使用基于2次重復(fù)采集的圖像差分法來消除環(huán)境的影響，以降低偏差[12]。另外，目前的研究大多使用背景噪聲的平均值來標(biāo)準(zhǔn)化移植物的信號，但Den Dekker等[13]建議使用背景噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)槠鋽?shù)值的穩(wěn)定性更高。除了測量 SNQ，另有研究者[14-15]通過計(jì)算 SI移植物與 SI后交叉韌帶的比值以及計(jì)算SI移植物與SI股骨骨皮質(zhì)的比值的方法來評價(jià)移植物的成熟度。

在應(yīng)用SI測量時(shí)還應(yīng)注意MRI“魔角效應(yīng)”（magic angle effect，MAE）的影響，MAE 通常出現(xiàn)在肌腱和韌帶等富含高度有序的膠原結(jié)構(gòu)中，當(dāng)其走行方向與磁場方向夾角約55°時(shí)，T2WI信號增高；當(dāng)兩者方向平行時(shí)，SI減小[16]；而且在短回波時(shí)間（TE）成像時(shí)，能夠觀察到MAE的角度范圍增大。Chen等[8]與Sim等[14]都對移植物彎曲角度與移植物成熟度間的相關(guān)性進(jìn)行研究，所得到的結(jié)果不同，這可能說明在掃描過程中不同的移植物可能因?yàn)槠洳煌慕嵌劝l(fā)生MAE，從而影響研究結(jié)果。另外，采用常規(guī)MRI序列進(jìn)行的影像分析缺乏足夠短的TE，無法檢測出反映移植物膠原結(jié)構(gòu)的膠原相關(guān)水信號，這些研究可能受移植物成熟過程中移植物周圍血管形成的影響較大[17]。

常規(guī)MRI較少應(yīng)用于ACL重建術(shù)后的臨床功能監(jiān)測及預(yù)后預(yù)測，目前尚未發(fā)現(xiàn)移植物T2WI的SI可以應(yīng)用于預(yù)后的報(bào)道，只有Biercevicz等[15]研究認(rèn)為使用梯度回波成像T1WI-3D序列測得的移植物體積結(jié)合SI的中位數(shù)可以預(yù)測術(shù)后病人3年及5年的生活質(zhì)量、運(yùn)動功能及膝關(guān)節(jié)松弛、疼痛等預(yù)后情況。

2.2 MRI定量和半定量分析 與常規(guī)MRI相比，MRI定量分析方法可以量化組織的弛豫時(shí)間，并受圖像采集參數(shù)變化的影響較小，可重復(fù)性較高。

2.2.1 T2*mapping T2*值可通過測量質(zhì)子的自旋-自旋作用反映膠原結(jié)合程度及膠原纖維排列方式，可以反映膠原組織、水合作用和局部磁環(huán)境的組織特性。Biercevicz等[5]進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)研究，通過韌帶體積及其T2*值直方圖將每個(gè)愈合中的韌帶體素分為4個(gè)由特定T2*值間隔的子體素，發(fā)現(xiàn)ACL橫斷術(shù)后52周時(shí)韌帶的T2*值與韌帶子體素的線性組合可以準(zhǔn)確預(yù)測韌帶的最大載荷、屈服負(fù)荷和線性剛度3種力學(xué)特性，并發(fā)現(xiàn)短T2*值（0～12.5 ms）的子體素在預(yù)測力學(xué)特性方面最為重要。在此基礎(chǔ)上，有研究者[18]進(jìn)行了基于多元回歸模型的6、12及24周縱向研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)合愈合時(shí)間及短T2*值 （0～12.5 ms）及長 T2* 值（37.6～50 ms）的子體素變化模型能更好地預(yù)測愈合過程中的力學(xué)特性，其中長T2*值（37.6～50 ms）的子體素在愈合早期尤為重要。這也表明膠原的有無組織性、數(shù)量及數(shù)量隨時(shí)間的變化均是預(yù)測ACL愈合的力學(xué)特性的必要因素。但是已有研究[19]證實(shí)人體移植物韌帶化速度較動物慢，此模型能否應(yīng)用于人體移植物愈合仍然未知。

2.2.2 超短回波時(shí)間（ultrashort echo time，UTE）成像序列 回波時(shí)間＜1 ms的UTE成像是一種新的定量成像技術(shù)，應(yīng)用半射頻脈沖、放射狀K空間填充、短矩形硬激發(fā)脈沖和數(shù)據(jù)三維放射狀采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D-UTE序列。以往的UTE-T2*研究[17]表明，它對膠原基質(zhì)的完整性和組織結(jié)構(gòu)敏感，特別在關(guān)節(jié)軟骨的深部及半月板等致密規(guī)則的結(jié)締組織中可發(fā)現(xiàn)大量的短T2*信號，這些組織中的UTE-T2*值通常隨著退化程度的增加而升高[20]。Chu等[21]研究發(fā)現(xiàn)，UTE-T2*和T2*值在ACL重建術(shù)后6周時(shí)低于未損傷的ACL，于6個(gè)月內(nèi)持續(xù)升高，并達(dá)到正常ACL水平，在6個(gè)月至1年中穩(wěn)定，在術(shù)后1～2年明顯下降，這與已知的ACL移植物組織學(xué)階段對應(yīng)。T2*升高階段可能代表移植物的膠原基質(zhì)紊亂。隨著膠原組織的成熟，緊密的結(jié)合水的比例增加，UTE-T2*和T2*值出現(xiàn)降低階段，在穩(wěn)定期中2個(gè)過程同時(shí)存在。UTE-T2*和T2*值可能是一種可靠的評價(jià)移植物成熟度的無創(chuàng)成像指標(biāo)。但是，雙指數(shù)模型UTE掃描時(shí)間過長，尤其在需要多重復(fù)時(shí)間掃描時(shí)，病人往往難以忍受。近期Fukuda等[22]提出一種簡化定量UTE范式，通過半正弦射頻脈沖激勵(lì)、減少沿層面選擇方向的視野來減少沿K空間Z軸方向獲取的視圖數(shù)量，使MRI采集總時(shí)間少于8min，并發(fā)現(xiàn)可在此基礎(chǔ)上通過計(jì)算移植物的快速衰變成分 T2* 值（T2*for fast decay component，T2S*）和結(jié)合水信號分?jǐn)?shù)（bound water signal fraction，fbw）來準(zhǔn)確評估成熟度，該研究還發(fā)現(xiàn)在骨隧道內(nèi)部移植物的T2S*及fbw在術(shù)后3～6個(gè)月增加，這種變化在關(guān)節(jié)內(nèi)移植物中未觀察到，可能表明骨隧道內(nèi)與關(guān)節(jié)內(nèi)的移植物存在不同的成熟過程，尚需要進(jìn)一步研究。

2.2.3 擴(kuò)散張量成像（DTI） 基于MRI的DTI可以監(jiān)測水分子的隨機(jī)運(yùn)動，進(jìn)而無創(chuàng)地顯示組織的微觀結(jié)構(gòu)，常用評價(jià)參數(shù)有部分各向異性分?jǐn)?shù)（FA）、平均擴(kuò)散率（MD）等。在肌腱和韌帶上應(yīng)用DTI技術(shù)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@些組織的體積較小、T2值短，而且膝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會引起磁場B0的變化，進(jìn)而產(chǎn)生磁敏感偽影，影響影像質(zhì)量，特別在髁間窩及ACL的嵌入部分[23]。Yang等[24]和van Dyck等[25]的研究均表明應(yīng)用3D纖維束成像進(jìn)行DTI檢查可以穩(wěn)定地評價(jià)移植物的成熟度，但2項(xiàng)研究對于移植物的平均FA值和MD值測量結(jié)果有差異，可能是由于2項(xiàng)研究選取ACL重建術(shù)后時(shí)間不同，也可能是由于2項(xiàng)研究使用的MRI設(shè)備及參數(shù)不同，這在一定程度上反映了移植物不同成熟階段的某種真實(shí)差異。對于韌帶和肌腱的最佳DTI參數(shù)如b值、擴(kuò)散加權(quán)采集的數(shù)量及方向的選擇目前仍存在爭議。van Dyck等[25]建議采用更強(qiáng)大的梯度系統(tǒng)[梯度場強(qiáng) 80 mT/m，梯度切換率 200 T/（m·s）]、較短TE（45 ms）進(jìn)行ACL重建后的采集，這不僅能夠提高SNQ而且減少了磁敏感偽影，但同時(shí)也帶來了一些技術(shù)挑戰(zhàn)。

2.2.4 T1ρmapping 有研究[26]表明 T1ρ值對蛋白多糖含量的變化敏感，目前在骨肌系統(tǒng)中大多數(shù)應(yīng)用于軟骨，特別適用于早期退變。在術(shù)后3～6個(gè)月移植物表面滑膜出現(xiàn)微血管的廣泛覆蓋，這可能掩蓋移植物肌腱部分的信號，采用PDWI序列觀察可能會受此影響。而采用T1ρ序列的彩色編碼圖像可以分離周圍滑膜組織，較容易地將ROI設(shè)置在ACL的前內(nèi)束與后外束的純肌腱部分。近期有研究[27-28]發(fā)現(xiàn)，移植物T1ρ值和T2值在術(shù)后1年內(nèi)逐漸降低，而且T1ρ值的變化趨勢比T2值更加突出和一致。術(shù)后2年的測量值與多個(gè)膝關(guān)節(jié)損傷及骨關(guān)節(jié)炎評分 （the knee injury and osteoarthritis score，KOOS）指標(biāo)相關(guān)，T1ρmapping有潛力成為特定的康復(fù)治療指標(biāo)之一，但2項(xiàng)研究的樣本量均較少，尚需大樣本的研究證實(shí)。

2.2.5 動態(tài)增強(qiáng)磁共振成像 （DCE-MRI） 多項(xiàng)研究[29-31]采用對比劑Gd-DTPA進(jìn)行DCE-MRI掃描，增強(qiáng)MRI更針對血運(yùn)情況，是評估ACL重建術(shù)后移植物血運(yùn)重建進(jìn)展的有效方法。Muramatsu等[29]研究表明，利用DCE-MRI得到的同種異體移植物血運(yùn)重建較自體肌腱血運(yùn)重建要慢。Ntoulia等[31]的定量分析發(fā)現(xiàn)，在術(shù)后6個(gè)月，關(guān)節(jié)內(nèi)移植物及其周圍的富血管組織區(qū)域組織出現(xiàn)的強(qiáng)化程度最顯著、強(qiáng)化橫斷面范圍最大，隨后這2項(xiàng)參數(shù)值逐漸降低，整個(gè)變化過程與時(shí)間變化密切相關(guān)；而且對于骨隧道兩端的移植物而言此過程進(jìn)行較緩慢，2項(xiàng)參數(shù)的峰值出現(xiàn)在術(shù)后1年。Ntoulia等還發(fā)現(xiàn)在不同周圍微環(huán)境中，各組織會對移植物的血運(yùn)重建產(chǎn)生不同影響。增強(qiáng)MRI可能在觀察移植物周邊供血微環(huán)境、不同移植物選擇影響血運(yùn)重建方式等方面具有更大的價(jià)值。

3 小結(jié)

綜上所述，MRI是ACL重建術(shù)后的重要檢查方法。近年MRI不同序列、不同成像方法及不同的分析方法提供了多種方式來分析移植物的解剖位置、韌帶化程度、血運(yùn)重建程度、力學(xué)特性及預(yù)后，通過使用不同的MRI技術(shù)對移植物的成熟過程有了一些新的理解，如移植物周邊微環(huán)境的影響及關(guān)節(jié)內(nèi)與骨隧道內(nèi)部移植物的成熟過程不同步等；但大多數(shù)研究主要針對單一技術(shù)，缺乏對各種技術(shù)的全面比較及評價(jià)，缺乏特定技術(shù)的最佳掃描參數(shù)。隨著研究的進(jìn)一步深入，MRI在ACL重建的治療及康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)中將起到更重要的作用。