1、1活体前交叉韧带 MRI 功能解剖学研究陈 新 潘 晶 晶【 摘 要 】 目 的 研 究 活 体 前 交 叉 韧 带 ( anterior cruciate ligment ACL ) 功 能 解 剖 学 的 变 化 。 方 法 本 组 30例 自 愿 者 , 共 40侧 膝 关 节 , 平 均 年 龄 23岁 。 应 用 3维 MRI扫 描 序 列 , 每 个 膝 关 节 行 4种 体 位 扫 描 。 膝 伸 直 位 ( 0) 和屈 膝 位 ( 30、 60、 90) , 经 斜 矢 状 和 斜 冠 状 面 图 像 重 建 , 测 量 ACL前 内侧 束 ( anteromedial bun
2、dle AMB) 和 后 外 侧 束 ( posterolateral bundle PLB)长 度 和 上 倾角的 变 化 , 并 观 察 解 剖 形 态 学 变 化 。 结 果 随 不 同 屈 膝 度 AMB和PLB长 度 发 生 变 化 , 屈 膝 90AMB最 长 , 张 力 最 高 。 而 PLB最 短 , 张 力 最 低 。屈 膝 时 AMB与 PLB可 形 成 平 行 结 构 型 和 绞 扭 结 构 型 。 膝 伸 直 位 时 , AMB与PLB上 倾角分别为38.54.9和48.36.9。 结 论 应 用 MRI技 术 可 行 ACL功 能 及 解剖 学 研 究 。【 关 键
3、词 】 前 交 叉 韧 带 ; 磁 共 振 成 像 ; 功 能 解 剖 学Functional anatomy of the anterior cruciate ligament in vivo with MRI CHEN Xin , PAN Jing-jing Department of Radiology ,General Hospital of Missile Army of PLA, Beijing 100088【 Abstract】 Objective To research the functional anatomic change of anterior cruciate li
4、gament (ACL) In Vivo. Methods A total 40 knees from 30 healthy subjects , with mean age of 23 years, were studied to measure the length of the anteromedial bundle (AMB) and the posterolateral bundle (PLB) and to observe the change of the tension and the elevation angles and the architecture of AMB a
5、nd PLB on oblique coronal and sagital images at different flexion of the knees( 0, 30, 60, 90) with MRI 3-dimensional multi echo data imaging combination(3D-MEDIC) sequence. Results When the knee is extended, PLB is tight and longer and AMB is moderately lax and shorter. As the knee is flexed to 60-
6、90, AMB is to tighten and longer and PLB is to loosen up and shorter, meanwhile ACL displayed two types of the architecture : parallel type(22 cases) and twist 2type(18 cases). The elevation angles is 38.54.9 in AMB and 48.36.9 in PLB as the knee is flexed to0.【 Conclusion】 It is feasible to make 3D
7、-MEDIC of MRI to study the functional anatomy of ACL In Vivo.【 Key words】 anterior cruciate ligament,MRI, Functional anatomy 解 剖 学 1.2和 影 像 学 3.4.5.6.研 究 表 明 , 膝 关 节 前 交 叉 韧 带 ( anterior cruciate ligment ACL) 主 要 分 为 前 内 侧 束 ( anteromedial bundle AMB) 和 后外 侧 束 ( posterolateral bundle PLB) 。 离 体 膝 关
8、节 ACL 功 能 解 剖 研 究 7.8.9表明 。 ACL 的 AMB 和 PLB 2 束 在 膝 关 节 不 同 屈 伸 状 态 下 , 其 长 度 、 张 力 、 形态 变 化 存 在 较 大 差 异 , 功 能 作 用 不 同 。 本 文 应 用 三 维 MRI 扫 描 序 列 , 对 正 常自 愿 者 膝 关 节 行 不 同 屈 伸 状 态 下 扫 描 。 探 讨 生 理 状 态 下 ACL 2 束 的 结 构 形 态变 化 。 结 合 参 考 文 献 , 研 究 AMB 和 PLB 在 膝 关 节 运 动 中 的 作 用 和 形 态 学 特 征 。材 料 与 方 法 :自 愿 者
9、 30 例 。 男 12 例 , 女 18 例 ; 年 龄 16-31 岁 , 平 均 23 岁 ; 从 事 非体 育 专 业 ; 无 膝 关 节 外 伤 史 及 相 关 临 床 症 状 。 均 知 情 并 同 意 行 MRI 检 查 。 其中 10 例 行 双 侧 膝 关 节 检 查 , 共 完 成 膝 关 节 MRI 检 查 40 个 。检 查 方 法 :Simens Sonata 1.5T 超 导 磁 共 振 仪 。 膝 关 节 表 面 柔 性 线 圈 。 使 用 多 回 波 数 据 组合 ( multiple-echo data image combination sequence,M
10、EDIC) 三 维 梯 度 回 波 序列 扫 描 , T2WI 对 比 。 TR 24-39ms,TE 20-24ms, 反 转 角 8-12, 组 合 回 波 数( Combined echoes) 3, 视 野 ( FOV) 120mm160mm-135mm180mm, 矩阵 256512, 层 厚 0.75mm。 冠 状 位 或 矢 状 位 扫 描 , 范 围 覆 盖 整 个 膝 关 节 。30 例 中 20 例 扫 描 单 侧 膝 关 节 ; 10 例 扫 描 双 侧 膝 关 节 。 每 个 膝 关 节 行 4 种 体位 扫 描 。 膝 伸 直 位 ( 0) 和 屈 膝 位 ( 30、
11、 60、 90) 。 先 扫 矢 状 定 位 像 ,测 量 屈 膝 角 度 , 误 差 控 制 在 2-3。重 建 方 法 :3由 2 名 放 射 学 医 师 ( 副 主 任 医 师 1 名 , 住 院 医 师 1 名 ) 共 同 分 析 MRI图 像 。 将 采 集 的 连 续 薄 层 图 像 数 据 行 多 平 面 重 建 ( MPR) 。 以 ACL 为 观 察 对象 确 定 观 测 层 面 3。 斜 冠 状 位 : 在 能 够 最 大 程 度 显 示 ACL 的 矢 状 位 图 像 上 平行 ACL 中 间 纤 维 束 走 行 方 向 重 建 ; 斜 矢 建 状 位 : 在 能 够 显
12、 示 ACL 2 束 的 斜 冠状 位 图 像 上 分 别 平 行 AMB 和 PLB 中 心 纤 维 束 8重 建 。ACL 的 观 察 与 测 量 方 法 : 1.长 度 测 量 : 在 斜 矢 状 位 重 建 图 像 上 分 别 测 量AMB 和 PLB 股 骨 至 胫 骨 附 着 端 前 缘 的 直 线 距 离 。 2.上 倾 角 : 在 斜 矢 状 位 图 像 上分 别 测 量 AMB 和 PLB 与 胫 骨 平 台 间 夹 角 。 3.张 力 变 化 : 在 斜 状 位 图 像 上 分 别观 察 AMB 和 PLB 的 张 力 情 况 , 高 张 力 ( ) : 纤 维 束 拉 直
13、 状 与 2 附 着 点 连线 平 行 或 重 合 ; 低 张 力 ( ) : 纤 维 束 呈 弧 线 状 , 呈 偏 离 2 附 着 点 连 线 ;迂 曲 型 ( ) : 纤 维 束 呈 “S”状 走 行 。 4.构 型 :在 斜 冠 状 位 观 察 AMB 和PLB 相 互 间 结 构 变 化 。结 果 :ACL 的 AMB 和 PLB 长 度 随 屈 膝 度 不 同 而 发 生 变 化 。 屈 膝 30时 , AMB 长度 较 伸 直 位 略 缩 短 ; 屈 膝 60和 90时 AMB 长 度 逐 渐 增 加 ; 屈 膝 90时 长度 值 最 大 。 PLB 长 度 于 伸 直 位 时
14、最 大 , 随 屈 膝 度 增 加 逐 渐 减 小 (见 表 1)。上 倾角:AMB 上 倾角在不同屈膝度时均小于 PLB,随着屈膝角度增大, AMB 和PLB 上 倾角逐渐减小(见表 2) 。根据斜冠状位表现,ACL 主要表现为 2 种类型:平行结构型,22 例。ACL 2 束在伸直位时呈“人”字型 3,随着屈膝度增加,AMB 和 PLB中心纤维束远侧(胫骨侧)约 3分之 2长度呈平行状走行,近股骨附着端融合。屈膝 90时最明显,可观察到接近平行状走行高张力的 AMB和低张力的 PLB(图 1) ;斜矢状位观察,AMB 于伸直位和屈膝 30时张力为,屈膝 60和 90时达到。以 90时张力最
15、高(图 2) ;PLB 于伸直位和屈膝30时张力为或,屈膝 60和 90时张力为和。以 90时张力最低,呈“S 型迂曲(图 3) 。绞扭结构型,18 例。伸直位,同平行结构型相似均表现为“人”字型,随着屈膝度增加,AMB 和 PLB 中心纤维束于近 2 分之 1 处绞扭在一起,形成叉形结构。屈膝 90时最明显(图 4) ;屈膝 30以前斜矢状位观察,AMB 和 PLB 张力变化与平行结构型相似,屈膝 60和 90时,由于 2 束绞扭 AMB 张力只能达到(图 5) ,4PLB张力仍为呈“S 型迂曲(图 6) 。10例双侧膝关节自身对比研究,左右膝关节 ACL的 AMB和 PLB在长度,后倾角及
16、结构类型几个方面相似。讨论:1、 ACL功能解剖学研究又称为解剖运动学或解剖和生物力学研究。主要目的是了解膝关节在不同运动状态下,ACL 各功能束的形态、长度和应力等变化。分析各束在膝关节稳定中的功能和作用。以往主要是利用尸体膝关节 1、7、8、10、11 作为研究对象,采用解剖方法充分暴露 ACL,直视下观察和测量 AMB和 PLB或采用在 AMB和 PLB附着端分别穿入金属丝,测量不同屈膝度时外露金属丝长度变化来间接研究长度和应力的变化。上述研究成果奠定 ACL功能解剖学基础。直视下精细解剖观测是尸体膝关节 ACL研究的优势,是最直观最可靠的研究方法,但在功能解剖学研究中有其不足之处。所谓
17、功能是对生理状态而言。尸体膝关节研究中,膝关节周围支持组织如皮肤、肌腱、关节囊等结构不同程度被破坏;韧带结构经冷冻防腐处理弹性和韧性受到影响 12;研究中人为施加的外力;等等与生理状态不符,或多或少影响了研究结果。了解生理条件下 ACL功能解剖变化及受力规律对设计 ACL重建手术,术后指导康复,促进功能恢复有重要意义 9。MRI 为无创性检查方法。研究表明 3、4、5、6、 MRI能够清晰显示和区分 ACL的AMB和 PLB,为生理状态下的研究提供了手段。MEDIC 序列是施加了流动补偿的多回波组合梯度回波序列,图像中包含了不同 T2权重因子,适用于关节和韧带的评价 3、14 。本组采用 0.
18、75mm层厚采集,在 MPR重建中基本满足各向同性的要求。为任意层面重建AMB和 PLB提供了支持。本组研究中,由于受条件和设备限制并未在膝关节生理负重下进行 MRI扫描,使所谓生理状态下研究仍有缺陷。2、 AMB和 PLB在膝关节运动中承担不同的功能和作用。尸体膝关节研究证明 7、8、9、10 :AMB于伸直位和屈膝 30时较短,屈 60-130长度逐渐增加;PLB 于伸直位和屈膝 30 时较长,此后随屈膝度增加长度逐渐缩短,于屈膝 90时,缩短最明显。本组所测 AMB和 PLB长度数值在动态上与上述描述基本符合,并在形态学上直观显示了 AMB和 PLB张力变化。在屈膝 90时 AMB和 P
19、LB张力差别最大。前者呈高张力细带状,而后者呈“S”型迂曲状。由此进一步证明 ACL具有不同功能的子束结构;在稳定膝关节,防止胫骨前移中,PLB 在伸直位和屈膝 30时起重要作用,AMB 在屈膝 60-90时起主要作用。国内 2组尸体膝关节伸直位 ACL测量 1、13 :AMB 平均长度分别为 36.4mm和40.5mm,PLB 平均长度分别为 17.8mm和 17.7mm。与本组比较,AMB 长度值较接近,而5PLB长度值明显小于本组所测值。这是测量方法不同所致。MRI 测量的是 AMB和 PLB前缘的中心纤维束或称主纤维束长度。上述 2组中,AMB 测量的是其前缘长度(与本组方法相同) ,
20、PLB 测量的是后缘长度(与本组方法不同) 。从解剖形态上可以理解 PLB前缘长度大于后缘长度。3、 在膝伸直位、斜冠状位重建图像上 AMB和 PLB构成“人”字型结构,二者相交形成的角度不同 3。当屈膝 60-90时,ACL 可表现为 2种结构类型。平行结构型中,AMB和 PLB中心纤维束以平行走行为主,束间多有明显的分界,2 者在功能作用有明显区别,屈膝 90时,AMB 呈高张力()型,而 PLB呈低张力() “S”型,此种结构类型支持已为学术界普遍认可的 15ACL存在解剖和功能上的 2束结构。 绞扭结构型中,股骨附着段 AMB和 PLB过早融合。解剖学基础可能是部分 ACL2束难以钝性
21、分离 7,ACL 纤维束大部分呈纵向走行,一部分纤维束呈螺旋状缠绕 16。从功能上看,绞扭型结构仍具有与平行型结构相似的 AMB和 PLB功能。因为 AMB和 PLB主要是根据其在胫骨附着点的位置而划分的 15。所谓绞扭型并未影响胫骨附着段的结构。屈膝90MRI斜冠状位和斜矢状位像上看,虽然 AMB张力达不到平行结构型的但仍明显高于呈迂曲状的 PLB,表明 ACL仍具有不同功能的 2束结构。本组在观察 ACL 2束的形态变化时,描述的仅是代表 AMB和 PLB主要功能的中心部分纤维束 8,而忽略了其他伴随纤维束的变化。不同个体中,ACL2 种结构类型存在逐渐转化的过度形式,所谓ACL平行结构应
22、理解为 AMB和 PLB绞扭不明显的一种构型。4、 了解 ACL上 倾角有助于重建时设计隧道角度,防止股骨髁撞击重建韧带 17。国外文献 18报道膝伸直位 ACL上倾角平均 68 3和 68 4。国内一组尸检数据 19 为 5 369 6。本组采用 2束分别测量方法。在不同屈膝位时,AMB 上倾角均小于 PLB,并随着屈膝角度增大,AMB 和 PLB 上 倾角逐渐减小。本组所测膝伸直位 AMB和 PLB上 倾角明显小于上述国外报道的数值,与国内数值较接近,除测量方法不同外(以往采用单束测量)尚难以解释形成差距的主要影响因素。5、 影像学方法在膝关节交叉韧带重建手术方案设计中已发挥了作用 19
23、20.。本组 10例双膝关节研究表明,同一个体中左右膝关节 ACL的 AMB和 PLB结构形态和张力变化相似。在 ACL重建时,应用 MRI对健侧膝关节进行研究,了解 ACL的功能解剖,有助于外科学所强调的 21:在可重复的技术规范下针对个体进行个性化 ACL重建的设计。参考文献:61. 刘秀梅,陶澄,肖东民. 膝关节前、后交叉韧带解剖研究及临床意义.医学临床研究,2006,23:1085-1087.2. Duthon VB,Barea C,Abrassat S,et al. Anatomy of the anterior cruciate ligament. Knee Sports Trau
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