前交叉韌帶股骨止點高密度纖維分布區的三維磁共振定位研究*

劉 陽 王永健 余家闊

(北京大學第三醫院運動醫學科 北京大學第三醫院運動醫學研究所膝關節外科 運動醫學關節傷病北京市重點實驗室，北京 100191)

前交叉韌帶(anterior cruciate ligament，ACL)股骨止點的解剖學和影像學一直是研究的熱點之一[1～11]。ACL的實質部纖維呈現扁平的條帶狀，主要止點為股骨的直接止點[3，4，6，7，9，12]，是ACL實質部纖維和髁間窩外側壁直接相連的位置[5，10，11]。韌帶的直接止點對韌帶和骨的力學傳導具有重要的作用，間接止點的作用相對有限[13，14]。在ACL重建手術中，一些學者認為將骨道定位在直接止點內是合理的，因為這樣能夠使移植物更好地發揮力學作用，更好地恢復關節的生物力學環境[3]。然而，ACL的股骨直接止點的準確位置尚不明確。本研究的目的是通過對正常膝關節的三維磁共振(magnetic resonance,MR)和重建的分析探討ACL股骨直接止點的解剖特點和準確位置。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究期望得到ACL股骨直接高度的位置特點，采用直接止點高度占髁間窩總高的百分比作為測量指標。根據既往手術經驗，預計健康關節該高度的比值約為25%，研究期望最終得到的可信區間上下限間距不超過2%，將這些數據錄入PASS 14 軟件(v.14.0.15)，使用單個樣本可信區間的樣本量估算方法，區間大小設為95%CI，由軟件計算得出需要至少7組MR影像的信息。考慮到前期估算的不確定性，以及樣本獲取成本較低、風險較低，本研究在此基礎上適當擴大樣本量，完成約20例MR影像圖像測量，招募20名中青年健康志愿者，男女各10名，年齡(34.5±7.8)歲(25～49歲)，其中≤29歲7位，30～39歲7位，≥40歲6位。所有志愿者既往無膝關節相關疾病、外傷史或手術史。

1.2 方法

對志愿者的單膝關節進行三維MR掃描，得到20組MR影像(10位男性志愿者中5組左膝、5組右膝，10名女性志愿者中5組左膝、5組右膝)。MR掃描參數為層厚1 mm，T2加權非壓脂像(GE,3.0T SignaHDxt at resolution 512×512 pixels bitmap)。將MR掃描得到的醫學數字成像和傳輸協議(Digital Imaging and Communications in Medicine, DICOM)文件導入Mimics軟件(v.15.01，Materialise)，通過MR三維重建得到股骨的髁間窩外側壁、ACL的股骨止點和股骨外髁軟骨。在屈膝90°時，本研究使用“高低”和“前后”描述相對的解剖位置(圖1)。在三維重建模型上，將ACL的股骨止點分為高密度和低密度纖維分布區，對于高密度纖維分布區，我們參照髁間窩的高度對其位置進行分析(圖2)，比較不同性別、年齡段(≤29歲、30～39歲、≥40歲)高密度纖維分布區位置的差異。

1.3 統計學處理

2 結果

2.1 ACL股骨止點三維MR的高密度和低密度纖維分布區

在三維MR影像上，ACL的股骨止點可分為高密度和低密度纖維分布區(圖3)，屈膝90°時，低密度纖維分布區位于止點中較低和較偏后的區域，高密度纖維分布區位于低密度纖維分布區和髁間窩頂之間。水平面MR上觀察，高密度纖維分布區的止點和ACL實質部纖維是一個整體連續的結構，實質部纖維通過高密度纖維分布區的止點和髁間窩外側壁相連接，低密度纖維分布區的止點位于下方，與實質部纖維之間存在一個夾角(圖4)。

2.2 MR三維重建的結果

ACL股骨的整體止點呈現橢圓形，位于髁間窩外側壁一個相對凹陷的區域內，高密度纖維分布區前方的骨性突起為住院醫師嵴，下后方到軟骨緣之間的區域為低密度纖維分布區，這種位置特點和以往研究得到的直接止點和間接止點位置相符合，因此，高密度和低密度纖維分布區分別代表直接和間接止點。直接止點位于整體止點偏高的區域內，11例MR三維重建呈現狹長的條帶狀形態，在另外9例MR三維重建中，條帶狀的前方較寬大，使直接止點呈現三角形，如圖5所示。屈膝90°時，直接和間接止點呈現接近高低分布的規律。間接止點位于直接止點的下方，與后方的軟骨緣之間存在一定的距離，兩者不互相延續。

2.3 直接止點位置的測量

在三維重建模型上測量直接止點的長軸和短軸長度分別為(15.8±2.4)mm(12.41～20.81 mm)和(6.2±1.3)mm(4.07～9.51 mm)。直接止點的位置測量結果見表1。以髁間窩高度為參考標準，直接止點位于此高度22%～43%。以股骨整體止點的高度為參考標準，直接止點位于上方約50%。直接止點中心的高度均高于后軟骨緣最高點，兩者之間的距離約為(5.68±1.97)mm。以性別分組，男女性志愿者直接止點相對位置(e、f、g)和直接止點中心點到后軟骨緣最高點的距離(a)均無統計學差異(P>0.05)。以年齡段分組，除≤29歲組和≥40歲組g值有統計學差異(P<0.05)外，其余各組e、f、g和a值均無統計學差異(P>0.05)。見表1。

3 討論

ACL的股骨止點一直是該領域研究的熱帶之一，重點包括形態、位置和分束等方面[1,8,15,16]。ACL的股骨止點位于髁間窩外側壁一個相對凹陷的區域內，呈現橢圓形[3]。在膝關節屈曲90°時，髁間窩外側壁ACL股骨止點足跡的前上方通常存在一個骨嵴，即髁間外側嵴(lateral intercondylar ridge)，或稱為住院醫師嵴(resident ridge)，ACL股骨止點向后方、下方延伸至軟骨緣[1,3,7,17]。另外，ACL的股骨止點足跡內部有時還存在束間嵴(bifurcate ridge)，將其分為前內和后外2個部分，在關節鏡下進行ACL重建時，可以束間嵴為解剖標志輔助定位前內束和后外束的股骨骨道位置[1]。

ACL股骨止點足跡的形態和大體解剖之間的區別使一些研究發現股骨止點存在直接和間接止點，組織學研究進一步證實這一發現[3～5，7，9，12，11，17]。股骨的直接止點是ACL實質部纖維髁間窩外側壁直接相連的部分[5，10，11]，呈現致密的結構和條帶狀，與韌帶纖維的形狀相同[5，6，11]。組織結構包括4層：韌帶組織、非鈣化軟骨層、鈣化軟骨層和骨，是一種更加牢固的連接，在韌帶和骨的力學傳導中其主要作用。也有學者將非鈣化軟骨層和鈣化軟骨層之間的界面稱為潮線[18]，這樣直接止點的組織結構也可以算是5層。ACL的股骨間接止點是韌帶表面滑膜在髁間窩外側壁的延伸，呈現膜狀疏松結構和扇子狀[4,5,7]。組織學上，間接止點的結構包括3層：韌帶組織、Sharpey氏纖維和骨，對于力學傳導的作用有限[13]。根據以往對于ACL股骨直接止點的研究，在去除韌帶表面的滑膜和扇子形狀的延伸纖維(間接止點)后，直接止點和韌帶的實質部纖維形態類似，均呈現條帶狀的形狀，解剖參數(平均長度×平均寬度)可歸納如下：17.4 mm×8 mm[3]、15.2 mm×4.7 mm[5]、17.7 mm×5.3 mm[7]、16 mm×3.54 mm[9]和15.5 mm×5.3 mm[10]，面積可歸納為：(128.3±10.5)mm[2，3]、65 mm[2,5]、56.6 mm[2,9]和56.5 mm[2，10]。對于ACL的股骨直接止點的準確位置，Smigielski等[9]研究報道其與股骨后方骨皮質相延續，呈現相當扁平的形狀，其他研究[3，5，7]顯示住院醫師嵴后方向后方軟骨緣延伸的狹長區域內為直接止點，間接止點位于直接止點和后下方的軟骨緣之間，在某些病例中，間接止點和軟骨緣不互相延續，兩者之間存在一定的距離[3～5,7]。韌帶的直接止點對韌帶和骨的力學傳導具有重要的作用，而間接止點的作用相對有限[13，14]，由于ACL的股骨直接止點對膝關節的功能起重要作用，一些學者又稱之為“功能性止點”[6]，將骨道定位在直接止點內既符合解剖、也能夠更好地恢復膝關節功能，是更加合理的位置[3]，他們也對股骨骨道的位置做出相應的調整[2，19]。

本研究中，在ACL股骨止點的三維MR上可以觀察到高密度和低密度纖維分布區，將其分別重建后可以觀察到兩者共同構成ACL的股骨止點，呈現橢圓形，位于髁間窩外側壁一個相對凹陷的區域內。高密度纖維分布區前方的骨性突起為住院醫師嵴，下后方到軟骨緣之間的區域為低密度纖維分布區，這種位置特點與以往研究得到的直接止點和間接止點位置結論相符合，因此，高密度和低密度纖維分布區分別代表了直接和間接止點。在三維重建的模型上測量，高密度纖維分布區的長軸平均長度為15.8 mm，短軸平均長度為6.2 mm，與以往解剖研究測量得到的數據相近[3，5，7，9，10]，進一步證實高密度纖維分布區代表直接止點。在20例三維MR重建中，直接止點的形態并不是一致的扁平條帶形狀，其中11例呈現條帶狀，9例呈現前方寬大的三角形。

圖1 屈膝90°下股骨解剖位置關系示意圖 圖2 ACL股骨止點高密度纖維分布區域位置的測量示意圖。5條互相平行的水平虛線：藍色虛線經過整體止點的最低點；橙色虛線經過blumensaat線和股骨外髁前方軟骨緣的交點；白色虛線經過高密度纖維分布區的最高點；黑色虛線經過低密度纖維分布區的最高點；紅色虛線經過后軟骨緣最高點。b、c和d分別代表藍線和黑線、藍線和白線、藍線和橙線之間的距離。e、f和g定義如下：e=b/d，f=c/d，g=b/c。高密度纖維分布區中心到紅線之間的距離(a)，代表其與后軟骨緣最高點之間的距離圖3 ACL股骨止點的高密度和低密度纖維分布區 3張連續的包含股骨髁間窩外側壁的矢狀位MR影像，整體的止點可以被分為高密度纖維分布區(黃色虛線內)和低密度纖維分布區(紅色虛線內) 圖4 3張連續的水平位MR影像，高密度纖維分布區的止點和ACL實質部纖維是一個整體連續的結構(藍色虛線內)，位于下方的低密度纖維分布區(紅色虛線內)與實質部纖維之間存在一個夾角 圖5 ACL股骨直接止點MR重建后的兩類形態，藍色、紅色和黃色部分分別代表直接止點、間接止點和股骨外髁的軟骨。在左側的圖像中，直接止點呈現狹長的條帶狀形態，共11例；在右側的圖像中，直接止點呈現前方寬大的三角形，共9例

表1 直接止點的位置測量mm

在明確高密度和低密度纖維分布區的意義之后，我們對其位置進行測量。在膝關節屈曲90°時，直接止點和間接止點在髁間窩外側壁上呈現接近高低的分布，直接止點在間接止點的上方，其前上邊界為住院醫師嵴。Nawabi等[20]研究表明，在ACL股骨止點中較高的、接近住院醫師嵴的部分承擔更大的受力，對膝關節前向穩定性具有更大的作用。由于致密止點的位置也在住院醫師嵴旁，位于整體止點的較高部分，因此,其也承擔更大的受力，發揮直接止點的作用，間接進一步證實位于整體止點上方的致密止點代表直接止點。在以往的文獻中，對于直接止點的位置尚沒有準確的描述，另外，股骨外髁后方的軟骨緣是膝關節后方一個重要的解剖標志[21]，但目前尚沒有研究表明其和股骨直接止點的關系。因此,我們對其進行進一步測量，其高度具有一定的規律性：直接止點位于整體止點高度上方約50%，以髁間窩高度為參照，直接止點位于此高度22%～43%。直接止點的中心均高于后軟骨緣最高點，兩者間距離為(5.68±1.97)mm。不同性別直接止點的位置無明顯差異，≤29歲組g值明顯小于≥40歲組，提示與≥40歲組相比，≤29歲組間接止點的高度更少，即直接止點占據的高度更大，原因可能是隨著年齡的增大，ACL的實質部纖維發生退變及磨損，相應造成直接止點的高度也有所減少，這一結果尚需更大樣本量的研究進一步證實。

本研究的局限性。由于研究對象是健康的中青年志愿者，我們無法將影像學結果和解剖學研究結合來直接說明高、低密度纖維分布區的意義，而是通過與以往研究結果對比的方法間接得出結論：①三維重建后高密度纖維分布區和低密度纖維分布區的位置；②高密度纖維分布區的長軸和短軸長度；③高密度纖維分布區位于低密度纖維分布區的上方，接近住院醫師嵴。這也為后續進一步研究提供基礎。

綜上，在三維MR影像上，ACL股骨止點包括高、低密度纖維分布區，分別代表直接止點和間接止點。直接止點的位置具有以下規律：①屈膝90°時，直接止點和間接止點呈現接近高低的分布，直接止點位于整體止點高度的上方約50%；②以髁間窩高度為參照，直接止點位于此高度22%～43%；③直接止點的中心點高于后軟骨緣最高點，兩者之間距離為(5.68±1.97)mm。髁間窩高度、后軟骨緣最高點可用于作為參照標志進行股骨骨道的定位。