结合磁共振和双荧光成像的膝盖前外侧韧带在功能性活动下的长度变化研究

2017-11-28   文章来源:译者:王中正 上海交通大学 生物医学工程学院   作者:译者:王中正 上海交通大学 生物医学工程学院 点击量:127 我要说

来源"In Vivo Anterolateral Ligament Length Change in the Healthy Knee During Functional Activities—A Combined Magnetic Resonance and Dual Fluoroscopic Imaging Analysis." Arthroscopy 33.1 (2017): 133-139.

作者Willem A. Kernkamp, M.D., Samuel K. Van de Velde, M.D., M.P.H., Ali Hosseini, Ph.D., Tsung-Yuan Tsai, Ph.D., Jing-Sheng Li, M.S., Ewoud R. A. van Arkel, M.D., Ph.D., and Guoan Li, Ph.D.

研究机构Bioengineering Laboratory, Massachusetts General Hospital/Harvard Medical School (W.A.K., A.H., T-Y.T., J-S.L., G.L.), Boston, Massachusetts, U.S.A.; and Focus Clinic Orthopedic Surgery, Medical Center Haaglanden and Bronovo-Nebo (S.K.V.d.V., E.R.A.v.A.), The Hague, The Netherlands.

1 前言

在近期的尸体研究中发现,膝盖弯曲时的前外侧韧带(anterolateral ligament,ALL)的长度变化的判断存在偏差。一些研究人员发现当膝盖弯曲角度在0-60度之间时ALL呈等长度结构的形态,当膝盖弯曲角度处于60-90度之间时ALL长度逐渐减小。然而另一些研究发现ALL在膝盖弯曲时并不呈现出等长性,并且其长度逐渐增大。对于上述差异的可能的解释是股骨和ALL接触的位点的选择存在不确定性;另一种解释是胫骨和股骨之间的生物力学特性非常复杂,这导致对ALL长度的判断存在很大的困难。

因此,本研究旨在量化健康膝盖在功能性活动下ALL长度的变化,这里采用step-up以及stand-sit两种自重的功能性活动。实验假设是在动态的功能性活动下,健康膝盖的ALL呈现出非等长性,并且在较大的弯曲角下其长度更长。

2 方法

2.1样本选取

本研究样本选取的标准如下:

·年龄在18岁至60岁之间;

·拥有独立完成日常活动的能力;

·不服用止痛药;

·不存在膝盖疼痛、膝盖受伤病史、下肢手术史;

·不存在半月板损伤、软骨退化、韧带组织损伤。

2.2成像过程

本研究采用MR探测器(3-T MR探测器,MAGNETOM Trio;Siemens,Malvern,PA)对健康膝盖矢状面成像,利用本实验室先前的方法构建三维网格状模型。将成像数据导入固体建模软件(Rhinoceros;Robert McNeel and Associates,Seattle,WA)构建胫骨、腓骨、股骨的表面三维网格状模型。这里我们采用了两种ALL与股骨连接位点的定义方式,(1)腓侧副韧带接触位点的前下方(ALL-Claes),(2)FCL源头的后部(ALL-Kennedy);ALL与胫骨连接位点的定义是Gerdy结节和股骨头前点连线的中点。

在MRI记录构建完三维模型后,对每个膝盖进行双荧光成像(BV Pulsera, Philips,The Netherlands),于此同时要求被试完成step-up、stand-sit的功能性动作。被试在实验前已经被针对这些动作被训练过。接下来,将双荧光成像数据导入固体建模软件,并基于成像平面进行校准。最后,将基于MRI的膝盖三维模型导入同一个软件进行校准。该系统测量胫骨股骨间的位移存在小于0.1mm的误差,旋转误差小于0.3°。

2.3ALL长度变化的测量

ALL长度被定义为关于膝盖弯曲角度的函数(图1)。在ALL与股骨和胫骨的接触点间的骨骼表面建立一根曲线,要求这一曲线不能穿过骨骼,这里我们采用最优化的方法去定义这根曲线,这根曲线的长度即为ALL的长度。对于每一个样本,我们取膝盖完全舒张时ALL的长度为基线,计算膝盖弯曲不同角度下ALL长度相对于基线的相对变化率(要求基线时膝盖不承重)。

图一 ALL-Claes与ALL-Kennedy在三维膝盖模型中的位置

2.4统计学分析

我们对基于两种定义的ALL长度(ALL-Claes和ALL-Kennedy)进行方差分析后,用Newman-Keuls post hoc检验对数据进行两两比较。比较ALL长度相对于基线的相对变化率。

3 结果

18名被试的统计学特征为:12名男性、6名女性;年龄为35.4岁±10.9岁;身高为175±9cm;体重为83.3±18.0kg;BMI为27±3.5。

3.1 参考长度(基线)

无负重状态下ALL-Claes的平均长度为33.9mm(95% CI,32.5-35.4),ALL-Kennedy的平均长度为44.0mm(95% CI,41.8-46.2)。在MR成像过程中,健康膝盖的请问弯曲角度为2±3.5°。

3.2 Step-up动作

Step-up动作下的平均最大弯曲角度为55±4°(图二)。ALL-Claes型长度随弯曲角度减小而产生了相对参考长度(P<0.001)21.2%的显著降低(95% CI,18.0-24.4)。ALL-Kennedy型长度随弯曲角度减小而产生了相对参考长度(P<0.001)24.3%的显著降低(95% CI,20.6-28.1)。

图二 Step-up动作下ALL长度变化率相对于膝盖弯曲角度的变化函数

3.3 Stand-sit动作

Stand-sit动作下的平均最大弯曲角度为88±10°(图三)。ALL-Claes型长度随弯曲角度减小而产生了相对参考长度(P<0.001)35.2%的显著降低(95% CI,28.2-42.2)。ALL-Kennedy型长度随弯曲角度减小而产生了相对参考长度(P<0.001)39.2%的显著降低(95% CI,32.4-46.0)。两种定义下的长度在弯曲角度为70-90°下的相对变化率分别为5.0%(95% CI,3.3-6.8,P<0.001)和6.0%(95% CI,4.5-7.6,P<0.001)

图二 Stand-sot动作下ALL长度变化率相对于膝盖弯曲角度的变化函数

4 讨论

本研究的主要发现是ALL-Claes型和ALL-Kennedy型长度均呈现出随膝盖弯曲角度降低而降低的变化趋势,与我们的实验假设一致。在step-up与stand-sit活动下这种变化趋势也并非线性变化,step-up活动下ALL长度降低了约22%,stand-sit活动下降低了约35%。在膝盖弯曲角度为70-90°时的ALL长度降低约为6%,70-0°的膝盖弯曲角度下ALL长度降低约为30%。

ALL长度的非线性变化与先前的在体研究的结果一致,并且相对于我们先前在quasistatic lunge过程中的测量,ALL的长度变化更为明显。Helito发现ALL长度在膝盖弯曲60-90°的增长量大于0-60°下的增长量,这与Zens所发现的非线性的ALL变化趋势一致。然而,Dodds的研究团队发现ALL长度在0-60°的弯曲下呈线性,且随着弯曲角度增大,ALL长度减少。这种差异可能是由于对ALL长度的测量方式不同,以及与膝盖是否承重相关。另外,在不同的研究中,对ALL长度的计算方法也有所不同。在Helito的研究中,他们在ALL的两侧接触点上放置了金属球,两个球体间距离即为ALL的长度。

先前的研究显示,伴随前交叉韧带(ACL)损伤的前外侧关节外受损是一种非常常见的现象,倘若未能全面认识这种损伤,可能导致ACL重建术后的二次损伤。最近,有研究显示在存在前外侧关节外损伤的情况下,单独的ACL重建术并不能再现内部的旋转稳定性,然而伴随ALL重建术能够显著降低内部旋转。这些结果显示了增加关节外重建能够更好地恢复膝盖的稳定性。

本研究中ALL长度定义为3D模型中ALL两端接触点间在bony表面上的最短距离,基线长度定义为无负重下膝盖完全放松时ALL的长度,因此这种无负重状态并不能模拟日常生活中的膝盖受力情况。另外,我们也无法直接从3.0T的MRI数据中直接测量ALL的长度。最后,本研究并没有涉及旋转这一乎哟东,因此未能评估旋转对ALL长度的影响。

5 结论

在step-up于stand-sit活动下ALL呈现出非等长的结构变化,其长度在90°弯曲下比完全放松时长大约35%,并且随着弯曲角度减小而减小,ALL-Claes定义下的长度减少程度小于ALL-Kennedy定义下的长度。

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