T2-mapping評估前交叉韌帶重建術后膝關節軟骨變性的定量研究

胡憶文，陶虹月，喬洋，華英匯，陳爽

前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)損傷是一種常見且嚴重的膝關節損傷，其中ACL損傷合并半月板撕裂的患者大于40%[1]。ACL損傷會導致反復發生的膝關節不穩和關節軟骨進行性退變[2]；而相對于ACL單純損傷，ACL損傷合并半月板撕裂的患者發生骨性關節炎(osteoarthritis，OA)的概率更高[3]。因此，為了延緩關節結構的進一步損傷，臨床上通常采用前交叉韌帶重建手術(anterior cruciate ligament reconstruction，ACLR)進行治療，以恢復膝關節的生物動力學穩定性[4]；同時應用半月板縫合術或半月板成形術，以恢復ACL損傷合并半月板撕裂患者半月板的結構穩定性。然而大量研究表明ACLR雖然可糾正ACL損傷所造成的脛股關節相對位置變化，但無法完全恢復ACL的功能及有效恢復膝關節動力學，因而術后OA的發病率仍較高[5,6]。ACLR術后10～15年，OA發病率高達85%，且患者的平均發病年齡早于原發性OA15～20年[7,8]。因此，早期診斷及干預膝關節軟骨退變對改善ACLR術后患者的預后至關重要。

近年來MRI廣泛用于檢測關節損傷，但傳統MRI局限于評價相對晚期的軟骨形態學改變，而定量MRI的發展使無創性評價軟骨生化構成及超微結構變化，早期檢測軟骨變性成為可能[9]，如T2-mapping對膠原纖維網含量、排列方式及水含量改變具有較高的敏感性[10]。因此本研究應用T2-mapping評價ACLR術后1年內膝關節軟骨生化改變，分析半月板成形術對膝關節軟骨生化改變的影響，旨在探討T2-mapping在早期檢測膝關節軟骨退變中的臨床應用價值。

材料與方法

1.病例資料

本研究納入100例來我院運動醫學科就診并進行ACLR手術的單側ACL損傷患者(其中含ACL合并半月板損傷患者76例)及23例健康志愿者(A組)。患者納入標準：年齡16～45歲；體質指數(body mass index，BMI)為18～30 kg/m2；術中關節鏡下軟骨Outerbrige分級為0～Ⅱ級；無對側膝關節外傷史，且對側膝關節的臨床癥狀、體格檢查和X線檢查均無明顯異常。排除標準：ACLR合并半月板全切術患者；患側膝關節同時伴隨其他韌帶損傷；伴隨術后并發癥；患側膝關節有類風濕性關節炎及其他炎性疾病病史、外傷史或手術史。以上納入研究的患者在術后無患側膝關節二次損傷史及對側膝關節外傷史。納入的健康志愿者在性別、年齡、BMI上與患者相匹配，且無雙側膝關節OA及感染性關節炎病史、外傷史、手術史。

將100例ACLR患者按照術后時間分為術后3個月組(B組，30例)、術后6個月組(C組，32例)及術后12個月組(D組，38例)；進一步按照半月板術后完整性將患者分為半月板完整組(包括半月板正常及半月板縫合術，41例)及半月板部分切除組(半月板成形術，59例)。100例患者及23例健康志愿者的一般病例資料見表1。

表1 患者一般病例資料

表2 各MRI序列掃描參數

2.手術方法

所有ACLR手術由一位高年資運動醫學科醫生在關節鏡下完成。除移植物來源，每位患者均采用標準雙束解剖性ACLR術式，股骨端EndoButton(Smith-Nephew公司，美國)懸吊固定，脛骨端Bio-Intrafix(Mitek公司，美國)固定，均使用腘繩肌-半腱肌肌腱為移植物。ACL損傷伴半月板撕裂患者采用半月板縫合術或半月板成形術進行修復。術后所有患者均遵循標準康復計劃進行復健。

3.檢查方法

對所有患者患側及志愿者單側膝關節進行MRI掃描。MRI掃描采用德國Siemens Verio 3.0T高場MRI和8通道膝關節線圈。所有受檢者于MRI掃描前休息至少30 min。掃描時患者仰臥位足先進，膝關節處于完全伸直位。形態學掃描序列包括：軸面、矢狀面FS-PD序列，冠狀面STIR序列，用以評價軟骨、韌帶和半月板形態。采用矢狀面T2-mapping序列進行膝關節軟骨生化成像。各序列的掃描參數見表2。

4.軟骨分區和定量測量方法

將膝關節軟骨分為6個感興趣區(region of interest，ROI)：股骨內側髁(medial femoral condyle，FM)，股骨外側髁(lateral femoral condyle，FL)，脛骨平臺內側(medial tibial plateau，TM)，脛骨平臺外側(lateral tibial plateau，TL)，股骨滑車(femoral trochlea，TrF)，髕骨(patella，P)。進一步將股骨內外側髁軟骨以半月板為參照分為4個亞區，每個亞區代表不同的軟骨承重狀態：FM承重區或FL承重區為半月板前角至半月板后角上下所對應的關節軟骨區；FM非承重區或FL非承重區為半月板后角以后的關節軟骨[11,12](膝關節軟骨分區見圖1)。

將所有MRI圖像輸入PACS圖像處理軟件，于擬合所得T2-mapping圖上分別選取膝關節內外側2～3個連續矢狀層面進行ROI軟骨測量。所有ROI測量由一位骨肌放射醫師人工獨立勾畫且對該研究者設盲。勾畫ROI時盡量避開軟骨下骨板和關節液。去除極值后，所得連續層面T2平均值即為對應ROI的T2值。并運用以下公式計算脛股關節軟骨總T2值：T2總=(T2FM負重區+T2FM非負重區+T2TM+T2FL負重區+T2FL非負重區+T2TL)/6。應用Siemens工作站上的NUMARIS/7和SyngoMR B17軟件重建得到T2-mapping色階圖。

5.臨床評分

采用主觀國際膝關節文獻委員會(International Knee Documentation Committee,IKDC)膝關節評估表對ACLR術后患者的膝關節功能恢復情況進行評價。對每個項目的評分求和，并將總和按下述公式換算為百分制。最高分為100分，表示無癥狀、運動正常。IKDC評分=(評分總和-最低可能評分)×100%[13]。

6.統計學分析

采用SPSS 23.0軟件進行統計學分析。采用單因素方差分析比較A、B、C、D四組患者膝關節各軟骨區域的T2值差異及B、C、D組間的IKDC評分差異。采用獨立樣本t檢驗比較半月板完整患者與半月板部分切除患者的脛股關節總軟骨T2值差異。以P<0.05為差異有統計學意義。

圖1 膝關節軟骨分區。a) 膝關節脛股關節內側。FM：股骨內側；TM：脛骨內側； b) 膝關節脛股關節外側。FL：股骨外側；TL：脛骨外側； c) 以半月板為標志物，半月板前角至半月板后角間區域所對應軟骨為膝關節股骨負重區(FM1)，半月板后角以后軟骨區域為股骨非負重區(FM2)； d) 膝關節髕股關節。P：髕骨；TrF：股骨滑車。

表3 患者及健康志愿者的膝關節軟骨T2值 (ms)

結 果

B、C、D組FM負重區、FL負重區、TM區域的軟骨T2值均大于正常對照組，差異均具有統計學意義(F值分別為13.372，14.647，6.156；P值均<0.05)；D組FM負重區的軟骨T2值高于B組(P=0.004)，C組FL負重區的軟骨T2值高于B組(P=0.025)，C、D組TM區域的軟骨T2值高于B組(P值分別為0.043、0.030)。ACLR術后FM、FM非負重區、FL、FL非負重區、TL、P、TrF區域的軟骨T2值與對照組比較，差異均無統計學意義(P值均>0.05，表3)。B、C、D三組患者IKDC評分的平均值分別為(44.23±8.62)、(51.16±9.59)、(61.42±5.43)，患者臨床評分逐漸升高，且差異具有統計學意義(F=40.656，P<0.001)。ACLR術后，半月板部分切除組患者脛股關節總軟骨T2值均高于半月板完整組，但差異無統計學意義(F值分別為0.001、0.022、0.444、0.001；P值均>0.05，表4)。T2-mapping色階圖見圖2～5，由T2-mapping色階圖可以看出，脛股關節內側及外側紅色區域擴大且主要集中于負重區軟骨，而髕股關節軟骨未顯示出顯著差異。

討 論

ACL在維持關節的穩定性方面發揮至關重要的作用，是抵抗脛骨外側前移和限制脛骨內側移位的重要結構[14]。ACL損傷患者膝關節不穩定性增加，造成膝關節軟骨機械應力大小及位置異常進而發生退變[15]。ACLR手術雖可恢復膝關節穩定性，然而大量研究表明ACLR并不能完全恢復ACL的正常解剖位置，移植物很難重獲具有正常機械功能的3D解剖結構[16]。多項長期隨訪研究發現，術后10～15年50%的ACLR患者出現OA。相關學者對術后15個月的關節鏡進行研究，發現45%的患者表現出軟骨退變，如軟骨軟化和纖維化。因此，對關節軟骨退變的早期診斷及干預顯得尤為重要。近年來定量MRI技術發展迅速，出現了大量用于檢測軟骨生化結構改變的成像手段，且檢出時間遠遠早于平片或傳統MRI[17，18]。多項研究表明T2-mapping可用于評價關節軟骨的早期退變。早期軟骨退變表現為膠原纖維松弛、濃聚、排列紊亂，蛋白多糖丟失，含水量增多和軟骨分層結構消失[19]。軟骨中的自由水含量、膠原纖維結合水分子含量及關節軟骨中膠原纖維排布情況都將影響T2值[20]，這使得T2-mapping對發現軟骨早期退變較其他成像手段更為敏感。因此，本研究將T2-mapping作為一種定量檢測方法，探究ACLR術后1年內的膝關節軟骨生化改變。

圖2 健康志愿者膝關節矢狀面T2-mapping圖。a)髕股關節；b)脛股關節內側；c)脛股關節外側。 圖3 ACLR術后3個月患者膝關節矢狀面T2-mapping圖。a)髕股關節；b)脛股關節內側；c)脛股關節外側。

分組半月板完整組半月板部分切除組F值P值B組33.80±3.1636.14±3.220.0010.059C組35.69±3.4436.84±3.540.0220.371D組36.51±2.9736.62±3.880.4440.924B+C+D組35.46±3.3036.54±3.530.0010.123

1．T2-mapping定量評價ACLR術后早期軟骨改變

本研究結果顯示，FM負重區及TM區域的軟骨T2值在術后逐漸增高，表明ACLR術后早期脛股關節內側負重區軟骨發生退變。其他多項6～36個月的術后隨訪研究同樣發現脛股關節內側區域的軟骨T2及T1ρ值高于基線水平[8,21]。大量人體和動物試驗表明ACLR術后膝關節機械動力學異常與術后隨訪過程中患者膝關節軟骨退變的進展相關[22]。相關下肢3D動力學研究發現，ACLR術后6個月時患者行走中膝關節屈曲角度增加，內收及過屈時間延長，從而導致脛股關節內側負重增加，進而引起軟骨退變[23]。本研究同樣支持以上觀點，并且進一步發現術后1年內膝關節動力學異常所造成的軟骨退變主要發生于負重區。

ACLR術后FL負重區軟骨T2值逐漸增高，ACLR術后3個月，FL負重區軟骨T2值顯著升高，而6個月及12個月時T2值無統計學差異，表明FL負重區軟骨發生退變，術后6～12個月時退變進展不明顯。急性ACL損傷易造成脛股關節外側骨挫傷，因而造成該區域軟骨T1ρ及T2值升高，組織學發現該區域軟骨基質蛋白多糖含量降低[8]。FL負重區軟骨退變表明股骨外側負重區的軟骨損傷在術后尚未完全恢復。Potter等[24]應用修改版Outerbrige評分及T2-mapping評價ACLR術后FL區域軟骨，發現ACLR術后1年FL區域軟骨損傷的風險增加一倍，進一步支持了本研究應用T2-mapping得出ACLR術后FL負重區軟骨發生退變的結論。

圖4 ACLR術后6個月患者膝關節矢狀面T2-mapping圖。a)髕股關節；b)脛股關節內側；c)脛股關節外側。 圖5 ACLR術后12個月患者膝關節矢狀面T2-mapping圖。a)髕股關節；b)脛股關節內側；c)脛股關節外側。

此外，在本研究中雖然膝關節負重區軟骨發生退變，但患者術后IKDC評分逐漸升高，表明患者臨床癥狀及體征持續改善。臨床上軟骨早期退變因患者臨床癥狀的改善而易被忽視。本研究結果表明T2-mapping可以早期診斷術后膝關節軟骨退變，從而指導臨床治療，因而具有重要臨床價值。

2.半月板完整性對軟骨T2值的影響

在ACLR術后不同隨訪時間點，半月板成形術患者的軟骨T2值均高于半月板完整的膝關節軟骨，但差異均無統計學意義。一項納入2487例創傷性半月板撕裂的隨訪研究發現，相對于半月板部分切除的患者，半月板縫合術患者發生OA的風險下降25%～50%[25]。Michalitsis等[26]對ACLR合并半月板手術術后2年的隨訪研究亦發現半月板部分切除患者的膝關節軟骨病變數量大于半月板縫合及半月板正常的ACLR患者。本研究中ACLR術后早期半月板成形術患者脛股關節退變與半月板完整患者的差異雖無統計學意義，但仍需延長隨訪時間后進一步研究。

本研究存在以下局限性：①本研究僅對ACLR術后早期患者進行隨訪，膝關節軟骨的遠期改變需要進一步研究，在后續研究中筆者將一步延長隨訪時間，以探究ACLR及半月板成形術后膝關節軟骨的遠期改變；②未完全排除移植物類型，患者的性別、年齡及BMI對軟骨變性的影響，在接下來的研究中筆者將進一步擴大樣本量，探究多種因素對ACLR術后膝關節軟骨退變的影響。

綜上所述，在ACLR術后的早期隨訪中，雖然患者的臨床癥狀及體征顯著改善，但膝關節軟骨呈現退變趨勢。此外，術后早期半月板成形術對膝關節軟骨退變的影響與完整半月板無明顯差異，但需要更長期及更大樣本量的隨訪以評價半月板成形術對軟骨的遠期影響。T2-mapping作為一項無創性生化成像技術，使得早期檢測軟骨退變成為可能，具有廣闊的臨床應用前景。