MR擴散張量成像在膝關節前交叉韌帶的初步應用

楊獻峰， 李茗， 楊尚文， 王冬梅， 朱斌

·骨骼肌肉影像學·

MR擴散張量成像在膝關節前交叉韌帶的初步應用

楊獻峰， 李茗， 楊尚文， 王冬梅， 朱斌

目的探討采用3.0T磁共振對膝關節前交叉韌帶進行磁共振擴散張量成像(DTI)及纖維束示蹤成像(FT)的可行性。方法對25名健康志愿者進行膝關節DTI檢查，男15例，女10例，年齡21～40歲，平均34.6歲。采用單次激發自旋回波平面成像序列，在工作站進行纖維束示蹤三維模擬成像，計算前交叉韌帶的纖維束長度及平均FA值、ADC值，比較不同性別的FA值及ADC值差異，并分析同一操作者在不同時間測量結果的一致性。結果25名受檢者中16例前交叉韌帶顯示三維纖維束結構，4例顯示多束，5例未顯示規則的纖維束。所顯示的平均纖維長度為(13.79±1.75)～(25.43±3.37)mm.。全部受試者前交叉韌帶平均FA值為0.457±0.058，平均ADC值為1.419±0.289，無性別差異。比較同一測量者在不同測量時間的FA和ADC測量值，其可信度和組內相關系數均較好。結論采用3T MR成像系統能成功完成正常前交叉韌帶DTI和DTT，并可顯示正常前交叉韌帶的雙束結構。

膝關節； 前交叉韌帶； 磁共振成像

前交叉韌帶是穩定膝關節的重要結構[1]，其損傷是常見的運動損傷，嚴重影響患者的運動能力，可導致膝關節不穩定繼而引發骨性關節炎。重建前交叉韌帶可部分恢復膝關節的運動力學，尤其近年來出現的雙束重建技術，有助于更好地恢復前交叉韌帶的正常解剖和功能，減少和延緩韌帶損傷后骨性關節炎的發生[2]。磁共振檢查是診斷前交叉韌帶損傷的有效方法，可協助韌帶重建手術方案的制定，也有3D序列可提供三維觀察[3]，然而，目前的研究多限于形態的顯示，較少提供量化評價。

磁共振擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)及纖維束示蹤成像(diffusion tensor tractography，DTT)的出現為通過影像學觀察前交叉韌帶的整體形態提供了新的方法。DTI能顯示水分子彌散運動在不同方向上的差異，評估組織水分子的擴散情況，提供組織超微結構變化的相關信息。本研究對25例健康志愿者的前交叉韌帶進行DTI及DTT，嘗試三維顯示前交叉韌帶雙束結構，并力圖發現相對合適的數據采集及后處理參數。

材料與方法

1.一般資料

搜集25例健康志愿者，男15例，女10例，年齡21～40歲，平均(34.6±5.1)歲，其中男性平均年齡(32.8±5.7)歲，女性平均年齡(37.1±2.8)歲，均身體健康，膝關節抽屜試驗為陰性。所有受試者均知情同意。

2.掃描及后處理方法

使用Philips Achieva TX 3.0TMR成像儀和膝關節專用線圈，受檢者仰臥位，膝關節放置于線圈中心區域。獲取常規矢狀面、冠狀面及橫軸面PDW圖像，掃描參數為TR 2000 ms，TE 40 ms，層厚4 mm，層間距1.2 mm，視野160 mm，矩陣320×256。DTI掃描前進行勻場以減少磁場不均勻造成的干擾，采用軸位單次激發自旋回波平面成像序列(single-shot spin-echo-based echo-planar imaging sequence)，EPI因子79，視野160 mm，32個擴散敏感梯度方向，b值為400 s/mm2，矩陣128×128，體素1.96 mm3，層厚2 mm，層間距0，采集次數3次，成像時間6分56秒。

由同一操作者在Philips工作站 (Extended MR Work Space R2.6)上應用fiber track軟件包進行后處理，在前交叉韌帶中下1/3、中部及中上1/3段設定感興趣區(region of interest，ROI)，FA最小閾值0.10，角度最大閾值34.1°，進行纖維束示蹤三維模擬成像。由后處理軟件自動計算所示纖維束的平均長度、平均FA值及平均ADC值。4個月后，由同一操作者再次對上次掃描的數據進行相同處理，對前后兩次所獲數據進行統計學分析。

3.統計方法

使用SPSS 17統計軟件包，對FA值及ADC值進行正態性檢驗，如符合正態分布，則應用t檢驗比較不同性別間前交叉韌帶的FA值及ADC值，P值<0.05為差異有統計學意義；如不符合，則采用校正的t檢驗。采用信度分析檢驗同一操作者重復測量結果的一致性，Alpha系數<0.6表示可信度較差，0.6≤alpha系數≤0.8提示可信度較好，alpha系數>0.8表示可信度極好。用組內相關系數(intraclass correlation coefficient，ICC)比較測量值的重復性，ICC<0.4提示重復性差，0.4≤ICC≤0.75提示重復性較好，ICC>0.75提示有非常好的重復性。

結 果

所有圖像均無嚴重偽影。25例志愿者中，20例顯示規則纖維束結構，其中16例顯示雙束結構，4例顯示為多束。另外5例纖維迂曲成團、走向紊亂，未呈規則束狀結構。20例雙束結構中，11例前內側束較后外側束小(圖1)，9例相反(圖2)。前交叉韌帶平均纖維長度介于(13.79±1.75)～(25.43±3.37)mm。未顯示束狀結構的5例中，常規MRI圖像呈“芹菜梗征”，其平均FA值為0.408±0.187，低于平均值。

表1 不同性別的平均FA值和ADC值(前后兩次測量的平均值)

表2 重復測量前交叉韌帶平均ADC值及FA值的一致性

所測前交叉韌帶FA值(Z=0.870，P=0.435)和ADC值(Z=0.540，P=0.933)均符合正態分布。平均FA值無性別間差異(t=2.98，P=0.091)，平均ADC值亦無性別間差異(t=3.037，P=0.088)。同一操作者在不同測量時間的測量值統計結果如表2所示，FA值和ADC值重復測量均具有較好的可信度和重復性。

討 論

前交叉韌帶損傷是一種常見的運動損傷，如不進行治療，可引起膝關節不穩定，加劇關節軟骨的磨損，繼而引發骨性關節炎。傳統的治療方式為利用自體肌腱組織進行膝關節前交叉韌帶重建[4]。然而，前交叉韌帶具有復雜的內部結構和功能。解剖學、影像學及生物力學研究表明，前交叉韌帶可分為前內側束和后外側束兩個不同的功能束，前者主要限制脛骨前移，后者則在膝關節伸直位時起穩定作用，尤其是保持膝關節的旋轉穩定性[1,5,6]。單條韌帶重建難以恢復膝關節正常的生物力學。隨著外科技術的發展，前交叉韌帶雙束重建及選擇性單束重建技術正在成為研究熱點，這些技術能夠更好地恢復前交叉韌帶的解剖形態和功能，有助于提高前交叉韌帶斷裂的治療效果[2]。直觀地顯示前交叉韌帶的雙束結構，對關節外科醫生術前準備具有重要意義。然而，我們所檢索到的前交叉韌帶雙束結構影像學文獻多為二維研究[7]，關于其三維形態的報道相對較少。此外，常規MRI檢查也缺乏對前交叉韌帶的定量評價。

DTI能較好的反映纖維結構的擴散各向異性特征，DTT可直觀顯示纖維束的細微結構及空間分布，對顯示纖維結構的形態、評價其內部結構具有重要意義。DTI及DTT已普遍用于中樞神經系統白質纖維束的顯示，在其它富含纖維的組織中的應用也越來越多，但應用于韌帶成像的報道相對較少[8,9]。與腦白質纖維不同，前交叉韌帶內部纖維結構平行排列，不交叉、扭曲或匯合，這種內部干擾較少的結構是DTI的理想組織。我們設想通過DTI和DTT三維顯示前交叉韌帶的雙束結構，但前交叉韌帶體積較小，長度平均約為31 mm，寬度約為2.5～3 mm，且距離骨皮質近，可能會受到周圍組織的干擾，成像難度較大。

圖1 男，25歲。a) 橫軸面重建纖維示蹤成像； b) 矢狀面重建纖維示蹤成像；前內側束(箭)小于后外側束(短箭)； c) 橫軸面PDWI見雙束結構斷面顯示。 圖2 男，34歲。a) 矢狀面重建纖維示蹤成像； b) 三維顯示纖維束形態及走向；前內側束(箭) 大于后外側束(短箭)。圖中不同顏色代表纖維束不同走向。c) PDWI橫軸面示雙束結構斷面形態。

結果表明DTT對正常前交叉韌帶體部顯示良好，韌帶體部表現為不同的顏色，代表不同的纖維走向，符合前交叉韌帶不同于其它韌帶的內部波浪狀纖維走向[10]。三維形態的前內側束和后外側束可以分辨，且能夠提供韌帶的平均FA值及平均ADC值。本研究中16例顯示雙束結構，其中11例前內側束小于后內側束，與文獻報道略有差異。4例顯示為多束，這可能為一種解剖變異。纖維束形態及表面光整程度受重建參數及周圍組織的干擾。5例未顯示規則的纖維束，其常規MRI表現呈“芹菜梗征”，文獻認為前交叉韌帶粘液樣變性的表現，其平均FA值低于正常平均值。FA值與纖維束走向及纖維密度可能相關[11,12]，這也為前交叉韌帶內部狀態的定量評價，特別是韌帶重建術后的隨訪提供了可能的有效方法。然而，DTT對前交叉韌帶長度的顯示并不理想，本組實驗結果低于正常解剖學測量值，其原因可能為前交叉韌帶的上下段緊鄰骨皮質，局部磁場均勻性較差，DTI采用的EPI序列對此較為敏感。這需要通過常規MRI檢查進行彌補。此外，需要注意的是DTT僅僅提示前交叉韌帶內存在方向不同的纖維束，并不表明存在解剖學分隔。

DTI數據采集和后處理是本技術的核心部分。很多技術因素能影響成像效果，包括場強、b值，擴散敏感梯度方向數目以及后處理的參數等[12-14]。本研究的技術參數主要基于其他組織的文獻報道和系統默認的參數。文獻報道的b值介于400～100 s/mm2，過高的b值導致信噪比下降，且膝關節本身結構較為復雜，故本研究采用400 s/mm2。b值可影響擴散張量成像的導出量，有研究者提出，比較不同組織的擴散張量參數時，應盡量選擇同樣的成像參數[14]。對于擴散敏感梯度方向數目，多數文獻認為應>20個，本研究取32個擴散敏感梯度方向，重建圖像質量較好。此外，對不同組織的DTI研究表明，高場強可提高DTI的成像質量。

纖維示蹤結果的準確性與ROI的設置、FA的閾值、軌跡投影角度及所采用的算法有關[11,12]。目前設置ROI有單個和多個兩種方法，本研究采用多ROI方法，分別放置于前交叉韌帶中下1/3、中部和中上1/3段。FA最小閾值選擇默認值0.10，角度選擇34.1°，即當兩個步級之間角度大于34.1°時纖維示蹤停止。多次試驗表明上述方法所獲結果較為穩定。

本研究的創新之處在于嘗試將DTI技術引入之前應用相對較少的韌帶組織，并使前交叉韌帶的雙束結構得以初步呈現，并初步用組織FA值量化評價前交叉韌帶。

本技術存在局限性，主要體現在韌帶的顯示程度有待于提高；纖維束示蹤技術定量評價的可重復性也存在較多爭議[15]。此外，成像時間較長、噪音強也是其缺點之一。

總之，本研究表明運用DTI顯示前交叉韌帶雙束結構具備可行性，但成像技術參數有待于進一步優化。研究中限于技術條件未能完整顯示前交叉韌帶全長，也未能單獨重建前內側束和后外側束，這有待于今后進一步實驗。此外，對于前交叉韌帶損傷的形態學顯示及定量測量，對前交叉韌帶重建術后移植物的定量評價，也具有較為廣闊的應用前景，值得深入研究。

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ThedemonstrationofanteriorcruciateligamentusingMRdiffusiontensorimagingapreliminarystudy

YANG Xian-feng，LI Ming，YANG Shang-wen，et al.

Department of Radiology,the Affiliated Drum Tower Hospital of Nanjing University，Medical School，Nanjing 210008,China

Objective:To assess the feasibility of demonstrating the fibric structure of anterior cruciate ligament (ACL) using MR diffusion tensor imaging (DTI) and DTT,and analyze the DTI and DTT parameters of ACL.Methods25 healthy volunteers (15 males，10 females,age range 21 to 40 years,mean age 34.6 years) were scanned at 3T MR scanner using 8ch knee coil.A single-shot spin-echo-based echo-planar imaging sequence was performed at each subject using b value of 400s/mm2,the number of diffusion directions for the DTI sequence was 32.Routine PDW and T2W images were also obtained.The fiber tracking and other post-processing steps were carried out by a radiologist on Philips workstation.The length of ACL,FA and ADC values of ACL were measured.The results of the same operator at different time were compared.ResultsReconstructed DTI and DTT(20/25) were of good quality.Tractography illustrated nicely the 3D courses of double-bundle structure in 16 cases.The average length of ACL fibers was (13.79±1.75)mm to (25.43±3.37)mm.The average FA values of ACL were 0.457±0.058.The average ADC values of ACL were 1.419±0.289.There was no statistic difference of FA value and ADC value in different gender.Among the results of the same measurer at different time,the intraclass correlation coefficient and the alpha coefficient were pretty good.ConclusionDTI and DTT for normal ACL can be accomplished by 3T MR scanner,and DTI and DTT can demonstrate the double-bundle structure of ACL.

Knee joint; Anterior cruciate ligament; Magnetic resonance imaging

R323.72; R323; R445.2

A

1000-0313(2017)10-1047-04

2016-11-10

2017-02-16)

210008 南京，南京大學醫學院附屬鼓樓醫院放射科

楊獻峰(1980-)，男，山東莒縣人，博士，副主任醫師，主要從事骨科與運動醫學影像診斷工作。

朱斌，E-mail：15950570742@163.com

南京市醫學科技發展項目(YKK14071)

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.10.011