MRI評價前交叉韌帶重建術(shù)后移植物成熟度的研究進(jìn)展

1、MRI評價前交叉韌帶重建術(shù)后移植物成熟度的研究進(jìn)展前交叉韌帶（anteriorcruciateligament，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。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。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)時間進(jìn)行估算，但這難以精確地評價每例病人的愈合程度。采用MRI評價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

2、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個階段：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。血運(yùn)重建階段,ACL重建術(shù)后412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。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68周時的機(jī)械

3、強(qiáng)度最弱。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312個月間緩慢恢復(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50nm，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。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對評價移植物

4、成熟度的應(yīng)用價值2.1常規(guī)MRI分析以往動物實(shí)驗(yàn)研究表明，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（signalintensity，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(protondensityweightedimage,PDWI)及T2WI。Howell等首次提出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。有研究顯示，在術(shù)后6個月時移植物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

5、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)研究使用信噪比（signal-to-noisequotient，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。值得注意的是，傳統(tǒng)上使用單個圖像測量單獨(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。另外，目前的研究大多使用背

6、景噪聲的平均值來標(biāo)準(zhǔn)化移植物的信號，但DenDekker等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移植物的成熟度。在應(yīng)用SI測量時還應(yīng)注意MRI“魔角效應(yīng)”（magicangleeffect，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，T2WI信號增高；當(dāng)兩者方向平行時，SI減小；而且在短回波時間（TE）成像時，能夠觀察到MAE的角度范圍增大。Chen等與Sim等都對移植物彎曲角度與移植物成熟度間的

7、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。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。2.2MRI定量和半定量分析與

8、常規(guī)MRI相比，MRI定量分析方法可以量化組織的弛豫時間，并受圖像采集參數(shù)變化的影響較小，可重復(fù)性較高。2.2.1T2*mappingT2*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*值直方圖將每個愈合中的韌帶體素分為4個由特定T2*值間隔的子體素，發(fā)現(xiàn)ACL橫斷術(shù)后52周時韌帶的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（012.5ms）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，有研究者進(jìn)

9、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)合愈合時間及短T2*值（012.5ms）及長T2*值（37.650ms）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（37.650ms）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超短回波時間（ultrashortechotime，UTE）成像序列回波時間1ms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

10、放射狀采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D-UTE序列。以往的UTE-T2*研究表明，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。Chu等研究發(fā)現(xiàn)，UTE-T2*和T2*值在ACL重建術(shù)后6周時低于未損傷的ACL，于6個月內(nèi)持續(xù)升高，并達(dá)到正常ACL水平，在6個月至1年中穩(wěn)定，在術(shù)后12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個過程同時存在。U

11、TE-T2*和T2*值可能是一種可靠的評價移植物成熟度的無創(chuàng)成像指標(biāo)。但是，雙指數(shù)模型UTE掃描時間過長，尤其在需要多重復(fù)時間掃描時，病人往往難以忍受。近期Fukuda等提出一種簡化定量UTE范式，通過半正弦射頻脈沖激勵、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*forfastdecaycomponent，T2S*）和結(jié)合水信號分?jǐn)?shù)（boundwatersignalfraction，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36個月增加，這種變

12、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。Yang等和vanDyck等的研究均表明應(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

13、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。vanDyck等建議采用更強(qiáng)大的梯度系統(tǒng)梯度場強(qiáng)80mT/m，梯度切換率200T/（ms）、較短TE（45ms）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，但同時也帶來了一些技術(shù)挑戰(zhàn)。2.2.4T1mapping有研究表明T1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36個月移植物表面滑

14、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T1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。近期有研究發(fā)現(xiàn)，移植物T1值和T2值在術(shù)后1年內(nèi)逐漸降低，而且T1值的變化趨勢比T2值更加突出和一致。術(shù)后2年的測量值與多個膝關(guān)節(jié)損傷及骨關(guān)節(jié)炎評分（thekneeinjuryandosteoarthritisscore，KOOS）指標(biāo)相關(guān)，T1mapping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)研究采用

15、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等的定量分析發(fā)現(xiàn)，在術(shù)后6個月，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，整個變化過程與時間變化密切相關(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值。3.小結(jié)綜