前交叉韧带重建术后股四头肌腱力学特性的时间变化：一项基于剪切波弹性成像的在体研究

《Scientific Reports》：Temporal changes in quadriceps tendon mechanical properties following anterior cruciate ligament reconstruction: an in vivo shear wave elastography study

　　

： 除腘绳肌腱（hamstring tendon, HT）和髌腱（patellar tendon, PT）自体移植物外，股四头肌腱（quadriceps tendon, QT）在前交叉韧带重建术（anterior cruciate ligament reconstruction, ACLR）中的应用日益普及，部分原因在于其报道的移植物再断裂率较低。然而，残余股四头肌腱的术后变化以及肌腱力学特性与临床结局之间的关系仍知之甚少。本研究旨在评估ACLR移植物取材后QT的在体力学特性，并利用剪切波弹性成像（shear wave elastography, SWE）对肌腱力学特性进行定量评估。研究人员前瞻性纳入20例（11例男性，9例女性；平均年龄29.8±7.2岁；平均体质指数26.8±3.8 kg/m2）前交叉韧带断裂并行同侧QT自体移植物ACLR的患者。除标准化的临床结局指标外，受试者还接受了双侧QT的标准化多模态超声检查方案，包括B型超声（B-mode ultrasound, B-US）、彩色多普勒超声（Color Doppler ultrasound, CD-US）及SWE检查。测量分别于术前（t0）及术后3个月（t1）、6个月（t2）和12个月（t3）进行。对于SWE数值，采用双因素重复测量方差分析（repeated-measures analysis of variance, RM-ANOVA）评估时间和侧别间的差异。受试者内因素为时间（术前、3个月、6个月和12个月）和侧别（手术侧与对侧对照）。对于关节活动度（range of motion, ROM）测量和评分，采用单因素重复测量方差分析评估时间差异。效应量以偏eta平方（η?2）报告。统计学显著性设定为p<0.05。事后配对比较采用Bonferroni校正。变量间关系采用Pearson相关系数（r）评估。结果显示时间主效应显著（F(3,57)=2.86; p=0.045; 偏η2=0.131），时间与侧别的交互作用亦显著（F(3,57)=3.98; p=0.012; 偏η2=0.173）。在手术侧肢体，观察到显著的时间效应（F(3,57)=5.14; p=0.003），其特征为力学特性从术前基线至3个月出现一过性升高（Δ=?0.421; p=0.045），随后从3个月至6个月（Δ=+0.447; p=0.003）及从3个月至12个月（Δ=+0.368; p=0.030）出现显著下降。术前基线与12个月之间未发现显著差异。在对照侧肢体，QT力学特性在整个随访期间保持稳定（F(3,57)=0.38; p=0.769）；所有配对比较均未达到统计学显著性。在12个月随访期间，膝关节屈曲以及IKDC和Lysholm临床评分均观察到显著改善，最大改善发生在术前基线至术后6个月之间。?hberg评分呈双相变化，3个月时初始升高，至12个月时恢复正常。膝关节伸展仅显示出不显著的改善趋势。QT力学特性与临床评分之间，以及QT力学特性与关节活动度之间均未发现统计学显著相关性。QT力学特性与IKDC（r=0.30, p=0.207）和Lysholm评分（r=0.39, p=0.231）之间存在中等程度相关性，但未达到显著性。QT力学特性与膝关节屈曲（r=0.11, p=0.335）、伸展（r=0.10, p=0.373）或?hberg评分（r=?0.02, p=0.873）之间未观察到显著相关性。本研究是首个对使用QT自体移植物进行ACLR后股四头肌腱SWE衍生力学特性进行在体评估的研究。研究结果表明QT具有较高的适应能力，术后刚度出现一过性变化并随时间恢复正常。未来纳入纵向组织学评估的研究对于进一步阐明移植物取材后QT改变的生物学机制十分必要。

论文解读文章：

一、研究背景与意义

前交叉韧带（anterior cruciate ligament, ACL）断裂是全球最常见的韧带损伤之一，年发病率达每10万人68.6例，对运动员而言可能意味着职业生涯的终结。由于天然ACL愈合能力有限，前交叉韧带重建术（anterior cruciate ligament reconstruction, ACLR）常被用于恢复膝关节稳定性并降低早期退行性改变的风险。仅在美国，每年就有超过20万例ACLR手术实施。移植物选择是ACLR中的关键考量因素，常用的自体移植物包括骨-髌腱-骨（bone-patellar tendon-bone, BPTB）移植物、腘绳肌腱（hamstring tendon, HT）移植物和股四头肌腱（quadriceps tendon, QT）移植物。近年来，越来越多的研究支持使用QT移植物进行ACLR，近期研究和荟萃分析显示，与HT和BPTB移植物相比，QT移植物具有更低的再断裂率和更少的供区并发症。然而，尽管关于临床结局和失败率的文献已相当丰富，供区并发症仍未得到充分理解。目前仅有两项研究利用超声评估了ACLR后QT的愈合率，发现术后仅6个月即可检测到高愈合率，但即使术后3.4年，取材后的QT回声强度仍显著较低，提示肌腱质量可能存在长期改变。剪切波弹性成像（shear wave elastography, SWE）已成为一种有价值的在体组织硬度测量成像模态，能够定量评估SWE衍生的力学特性。既往研究已对ACLR后髌腱、半腱肌腱及相关肌肉的刚度变化进行了在体评估，但迄今为止尚无研究利用SWE评估QT自体移植物ACLR后QT的力学特性。肌腱刚度反映了肌腱单元的生物学完整性和承载能力，在力传递和动态关节稳定性中发挥关键作用。ACLR后肌肉-肌腱刚度的改变已被证明与股四头肌力量下降和膝关节功能受损直接相关。因此，评估QT肌腱刚度可提供有临床意义的信息，将结构组织特性与功能恢复联系起来。本研究旨在利用SWE作为在体定量评估工具，表征ACLR移植物取材后QT的结构和力学变化。研究人员假设QT力学特性在QT自体移植物ACLR后经历明显的时间依赖性变化，反映肌腱在愈合过程中的生物学改变。

二、研究设计与方法

本研究为前瞻性、探索性、单臂纵向研究，采用受试者内重复测量设计。研究方案经德国埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学当地伦理委员会批准（批号：22-454-B），所有参与者均签署书面知情同意书。研究人员从骨科部门连续招募了28例患者，其中8例因不符合纳入标准（n=6）或拒绝参与（n=2）而被排除，最终纳入20例ACL断裂并行同侧QT自体移植物ACLR的患者（9例女性，11例男性；平均年龄29.84±7.21岁，范围19–42岁；平均体质指数26.83±3.81 kg/m2）。手术采用标准前外侧和前内侧入路，在膝关节屈曲90°时从髌骨上极开始做25mm纵向皮肤切口，分离QT后勾勒8–10mm宽的移植物，获取80–100mm长的部分厚度QT移植物，供区缺损用可吸收缝线关闭。术后康复方案为：术后两周刚性支具完全伸直位固定、不负重；随后四周允许0–90度活动范围、半体重部分负重；合并半月板修复者活动范围限制更为严格；六周后所有患者均允许完全活动范围和负重。主要结局指标包括：SWE衍生的剪切波速度（shear wave velocity, SWV）绝对值评估的肌腱刚度特性、彩色多普勒超声（Color Doppler ultrasound, CD-US）测量的改良?hberg评分，以及临床结局指标（关节活动度、Lysholm评分、IKDC评分和Cincinnati运动活动量表）。所有超声检查均在标准化实验室条件下进行，室温维持在21°C，受试者仰卧位、膝关节中立位。采用西门子S2000超声设备，由一名具有七年以上肌肉骨骼超声和弹性成像经验的认证检查者完成所有检查。B型超声（B-mode ultrasound, B-US）用于解剖定位和排除结构异常，QT测量部位定义为肌肌腱连接处远端1cm和髌骨上极近端1cm。CD-US用于检测QT内新生血管区域，新生血管量采用改良?hberg评分分级（0=无血管；1=腱周血管；2=1或2条腱内血管；3=3条腱内血管；4=>3条腱内血管）。SWE设置包括6mm×5mm固定大小感兴趣区（region of interest, ROI）、8MHz频率和1.6机械指数，在结构纵轴平行方向获取绝对SWV值以避免各向异性效应，每个解剖部位进行10次测量重复并计算中位数。统计方法方面，SWE值采用双因素重复测量方差分析（repeated-measures analysis of variance, RM-ANOVA）评估时间和侧别差异，ROM和评分采用单因素RM-ANOVA评估时间差异，效应量以偏eta平方（η?2）报告，事后配对比较采用Bonferroni校正，变量间关系采用Pearson相关系数评估。先验样本量计算采用G*Power软件，假设大效应量（Cohen's f=0.40）、双侧显著性水平α=0.05、统计功效95%、四时间点重复测量ANOVA，所需最小样本量为20例。

三、研究结果

（一）患者基线特征

共纳入20例ACL断裂并行同侧QT自体移植物ACLR的患者。手术时平均年龄29.84±7.21岁（范围19–42岁），平均BMI 26.83±3.81 kg/m2。20例手术膝关节中，11例为右膝（55%），9例为左膝（45%）。13例患者（65%）需要半月板修复。20例中15例（75%）为优势肢体受累。

（二）临床检查与评分

膝关节屈曲（手术侧肢体）：膝关节屈曲在整个随访期间持续增加。术前平均屈曲为117.50°，术后12个月增加至133.50°。单因素RM-ANOVA显示时间效应显著（F(3,57)=8.42; p<0.001）。Bonferroni校正事后比较显示，术前基线与6个月（Δ=?12.50°; p=0.014）及12个月（Δ=?16.00°; p=0.002）之间存在显著改善，3个月与6个月（Δ=?7.00°; p=0.045）及3个月与12个月（Δ=?10.50°; p=0.010）之间亦有显著改善，6个月与12个月之间无进一步显著改善。

膝关节伸展（手术侧肢体）：伸展缺损从术前的?3.50°减少至12个月时的?1.00°。单因素RM-ANOVA未达到统计学显著性（F(3,57)=2.35; p=0.082），所有事后配对比较均无显著差异。

IKDC评分：IKDC评分随时间显著改善，从术前67.94增加至3个月76.43、6个月87.86和12个月95.10。单因素RM-ANOVA显示高度显著的时间效应（F(3,57)=32.15; p<0.001）。事后分析显示术前基线与6个月（Δ=?19.91; p<0.001）、术前与12个月（Δ=?27.16; p<0.001）、3个月与6个月（Δ=?11.43; p=0.001）、3个月与12个月（Δ=?18.67; p<0.001）以及6个月与12个月（Δ=?7.24; p=0.012）之间均有显著改善。术前与3个月之间的比较经Bonferroni校正后未保持显著。

Lysholm评分：Lysholm评分从术前63.48增加至3个月74.80、6个月83.25和12个月89.90。总体时间效应高度显著（F(3,57)=17.88; p<0.001）。术前基线与3个月（Δ=?11.32; p=0.037）、术前与6个月（Δ=?19.77; p<0.001）、术前与12个月（Δ=?26.42; p<0.001）、3个月与6个月（Δ=?8.45; p=0.026）以及3个月与12个月（Δ=?15.10; p<0.001）之间均有显著差异。6个月与12个月之间的差异经Bonferroni校正后未达显著。

?hberg评分：?hberg评分呈特征性双相模式：从术前基线0.00增加至3个月1.10，随后下降至6个月0.55和12个月0.21。时间效应显著（F(3,57)=14.72; p<0.001）。事后分析显示术前基线与3个月（Δ=?1.10; p<0.001）、术前与6个月（Δ=?0.55; p=0.012）以及3个月与12个月（Δ=0.90; p=0.004）之间有显著差异。

（三）SWE结果

术前，手术侧QT刚度（SWV）为4.703 m/s，对照侧为4.952 m/s，两侧差异无统计学意义（Δ=?0.249; p=0.608）。3个月时，手术侧达到5.124 m/s，对照侧为4.938 m/s（Δ=+0.186; p=1.000）。6个月时，手术侧显著低于对照侧（4.677 m/s vs. 4.982 m/s; Δ=?0.305; 95% CI [?0.509; ?0.100]; p=0.023）。至12个月，两侧差异基本消失（手术侧4.756 m/s vs. 对照侧4.890 m/s; Δ=?0.135; p=0.851）。

双因素RM-ANOVA显示时间主效应显著（F(3,57)=2.86; p=0.045; 偏η2=0.131），时间与侧别交互作用显著（F(3,57)=3.98; p=0.012; 偏η2=0.173）。侧别主效应接近但未达显著（F(1,19)=3.72; p=0.069; 偏η2=0.164）。

手术侧肢体显示显著的时间效应（F(3,57)=5.14; p=0.003），特征为从术前基线至3个月刚度一过性升高（Δ=?0.421; p=0.045），随后从3个月至6个月（Δ=+0.447; p=0.003）和从3个月至12个月（Δ=+0.368; p=0.030）显著下降。术前基线与12个月之间无显著差异。

对照侧肢体QT刚度在整个随访期间保持稳定（F(3,57)=0.38; p=0.769），所有配对比较均未达统计学显著。

（四）QT力学特性与临床结局的关系

QT刚度与IKDC（r=0.30, p=0.207）和Lysholm评分（r=0.39, p=0.231）之间存在中等程度相关性，但未达显著。QT刚度与膝关节屈曲（r=0.11, p=0.335）、伸展（r=0.10, p=0.373）或?hberg评分（r=?0.02, p=0.873）之间未观察到显著相关性。

四、讨论与结论

讨论部分指出，本研究结果支持研究假设，即QT力学特性在QT自体移植物ACLR后经历时间依赖性变化。研究观察到显著的时间-侧别交互作用，反映手术侧肢体SWV在3个月时一过性升高，随后在6个月时下降，至12个月随访时基本恢复。既往研究显示髌腱取材后供区缺损逐渐缩小，但肌腱厚度在术后长达2年内仍显著增加；组织学评估显示细胞性和血管性显著增加，且10年后的组织学和超微结构分析仍显示持续性改变，提示长期重塑过程。相比之下，半腱肌腱取材后似乎能够再生，在取材后至少6年时获得与非取材对侧肌腱相似的组织学外观。既往关于髌腱SWE的研究中，Ito等人在BPTB自体移植物ACLR后发现术后1个月所有区域剪切模量升高，随后随时间逐渐下降，与本研究QT刚度的发现一致。Suydam等人评估了半腱肌腱-股薄肌腱（semitendinosus-gracilis, STG）自体移植物ACLR患者，发现再生肌腱的剪切模量随时间逐渐增加，提示结构持续成熟。研究人员指出，关节源性肌肉抑制在ACL损伤后及ACLR康复期间持续存在，由于肌肉力量产生和肌肉刚度影响相关肌腱的力学特性，肌腱刚度测量的变化可能并非仅归因于肌腱取材本身。本研究手术侧QT在所有时间点（除术后3个月外）均显示低于对照侧的SWV值，且术前评估时手术侧QT已显示数值上较低的SWV值，提示肌腱力学特性可能在术前已发生改变，可能由于ACL损伤相关的卸载、神经肌肉适应或既有的肢体间差异（包括肢体优势），因此术后两侧差异应谨慎解释，不能仅归因于移植物取材。尽管12个月时SWV值接近基线水平，但这不一定表明组织学正常化，而更提示力学特性的某种功能恢复。本研究的局限性包括：术后康复方案未完全标准化、患者相关因素（如吸烟状态）未系统控制、对侧肢体可能受活动减少和康复影响而不能视为完全健康对照、SWE测量仅限于QT中央部分、未纳入从ACL损伤至ACLR的平均时间、样本量仅能检测大效应量、平均年龄略高于典型ACLR人群、未纳入肌腱厚度测量或供区缺损特征。

结论部分指出，据研究人员所知，这是首个利用SWE评估ACLR后QT在体力学特性的研究。研究结果表明，使用QT自体移植物进行ACLR后，QT力学特性出现时间依赖性变化，且手术侧与对侧肢体之间存在明显差异。