胡晓飞; 刘玲玲; 甄志铭; 郑雅兰; 秦新; 胡彦; 陈伟

doi:10.3760/cma.j.cn112137-20210707-01523

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• 马拉松运动影像学 •

大学生长途徒步拉练对膝关节急性损伤及软骨亚区影响的MRI定量分析

中华医学杂志, 2022,102(9) : 659-665. DOI: 10.3760/cma.j.cn112137-20210707-01523

摘要

目的

基于MRI定量分析长途徒步拉练对大学生膝关节急性损伤及膝关节软骨亚区的影响。

方法

入选2019年9月陆军军医大学新入学的27名男性青年大学生，年龄17~20（19.48±0.14）岁，均全程参加为期8 d、240 km的长途徒步拉练。在徒步前（基线测量）和徒步后1 d（随访测量）利用高场MRI对其右膝进行三维定量MRI。两名影像诊断医生评估膝关节急性损伤情况，包括半月板和软骨损伤（5分制）、骨髓水肿和韧带损伤及关节积液（3分制）。同时采用半自动软骨分割和三维数据后处理技术，测量股骨内外侧、胫骨内外侧等共21个亚区软骨体积、厚度和T₂值。利用配对双样本非参数检验及配对样本t检验比较徒步前后膝关节软骨定量指标的变化。

结果

膝关节急性损伤方面较徒步拉练前，拉练后分别有8和9名大学生新发了1~3级内、外侧半月板损伤；4名大学生的前交叉韧带损伤从0级发展到1级；10名大学生骨髓水肿从0级发展到2级，5名从0级发展到1级；5名大学生关节腔积液从1级发展为2级（均P<0.05）。膝关节软骨亚区量化分析方面较徒步拉练前、拉练后，股骨滑车中心区体积增加［（1.84±0.32）mm³比（1.67±0.29）mm³］，股骨髁内侧中央区体积减小［（1.18±0.21）mm³比（1.26±0.17）mm³］，（均P<0.05）；11个软骨亚区［（1.37±0.27）mm比（1.53±0.18）mm］、［（1.42±0.25）mm比（1.54±0.17）mm］、［（1.53±0.20）mm比（1.62±0.20）mm］、［（1.72±0.28）mm比（1.83±0.28）mm］、［（1.84±0.45）mm比（2.04±0.42）mm］、［（2.20±0.58）mm比（2.46±0.50）mm］、［（1.74±0.19）mm比（1.85±0.21）mm］、［（1.45±0.21）mm比（1.58±0.16）mm］、［（1.81±0.22）mm比（1.91±0.15）mm］、［（1.44±0.13）mm比（1.53±0.15）mm］的软骨厚度均较徒步前变薄（均P<0.05）；有7个亚区［（40.57±26.23）ms比（67.10±47.46）ms］、［（80.10±20.56）ms比（98.42±23.58）ms］、［（87.92±24.95）ms比（108.84±29.24）ms］、［（50.49±19.18）ms比（76.97±37.16）ms］、［（38.89±15.82）ms比（69.70±40.16）ms］、［（55.84±24.53）ms比（106.35±50.01）ms］及［（72.38±36.64）ms比（105.31±39.34）ms］T₂值均较徒步前降低，而髌软骨两个亚区［（102.13±44.47）ms比（72.20±28.37）ms］、［（97.42±44.86）ms比（76.67±51.64）ms］T₂值较徒步前增高（均P<0.05）；其余软骨亚区变化差异无统计学意义（P>0.05）。

结论

长途徒步拉练会导致青年大学生膝关节急性损伤产生。膝关节软骨亚区厚度整体均呈变薄趋势，而体积和T₂值则呈现不同的变化趋势。

引用本文: 胡晓飞, 刘玲玲, 甄志铭, 等. 大学生长途徒步拉练对膝关节急性损伤及软骨亚区影响的MRI定量分析 [J] . 中华医学杂志, 2022, 102(9) : 659-665. DOI: 10.3760/cma.j.cn112137-20210707-01523.

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随着国家对青少年运动能力的重视，大学生体能训练成为各高校关注的重点，徒步拉练也成为高校提高学生综合体能素质的手段之一。然而徒步拉练运动有较强的专业性，长途徒步拉练对关节损伤尤其是膝关节的损伤成为近年来研究的热点，然而国内研究目前尚未见到。研究发现经常长途徒步拉练会明显增加膝关节疼痛发生率^［1］；而累积高强度徒步拉练会直接导致半月板损伤^［2］。MRI是识别关节软骨损伤、半月板病变等膝关节损伤最有效的检查方法；三维定量MRI技术，能够对关节软骨形态进行更敏感的分析^［3］，从而获得高精度的关节软骨亚区的体积和厚度测量指标。笔者团队之前的研究使用自动软骨分割技术在3.0T MRI图像获得了良好可重复性的软骨亚区自动分割结果^［4］。本研究旨在通过高分辨率MRI及膝关节软骨自动分割技术探讨长途徒步拉练对大学生膝关节急性损伤及膝关节软骨亚区的影响，了解关节软骨不同区域的结构变化，为大学生科学化拉练提供理论依据。

对象与方法

一、一般资料

本研究为随访研究。入选2019年陆军军医大学新入学大学生29例。纳入标准：（1）2019年入学的男性本科生，参加了入学徒步拉练（历时8 d累计240 km的长途徒步拉练，海拔168~400 m）；（2）体质指数<28 kg/m²；（3）无膝关节疼痛、创伤和外科手术史；（4）平时规律跑步运动，每周跑步频率≥3次，每次时间≥0.5 h；（5）徒步前一周内无剧烈运动；（6）无MRI检查禁忌证。排除标准：（1）因自身原因未完成拉练；（2）图像质量不能满足诊断。最终2名因退学排除，最终纳入27名大学生，年龄17~20（19.48±0.14）岁；体质指数 17.6~25.2（21.9±2.5）kg/m²。本研究经陆军军医大学第一附属医院伦理委员会批准（2019-003-1），所有参与者均签署知情同意书。

二、MRI扫描方法及序列参数

在徒步拉练前一周（基线测量）和完成徒步后第二天（随访测量），使用相同的技术和序列对每名参与者进行MRI检查。

膝关节检查使用3.0 T超导MRI（Spectra，德国西门子公司），选用膝关节专用16通道线圈。扫描参数：（1）矢状面脂肪抑制质子密度加权成像序列：重复时间3 500.0 ms，回波时间24.0 ms，视野180 mm×180 mm，反转角150°，层厚4.0 mm；（2）三维双回波稳态（three-dimensional double-echo steady-state，3D-DESS）序列：重复时间14.8 ms，回波时间53.0 ms，反转角25°，视野160 mm×160 mm，层厚 0.6 mm；（3）矢状面T₁加权成像序列：重复时间953.0 ms，回波时间20.0 ms，矩阵320，层厚2.0 mm；（4）轴位脂肪抑制质子密度加权成像序列：重复时间3 000.0 ms，回波时间11.0 ms，矩阵320，层厚3.0 mm；（5）矢状位三维T₁加权成像序列：重复时间12.0 ms，回波时间4.3 ms，反转角4°，带宽190，层厚0.6 mm；（6）矢状位水脂分离序列：重复时间4 880.0 ms，回波时间88.0 ms，反转角146°，带宽349，层厚3.5 mm，间距20%。

所有受试者在每次扫描前静息休息1 h，仰卧位接受检查，以髌骨下缘为扫描中心，通过使用沙袋和海绵固定，尽量减少运动伪影。

三、图像分析

本研究共纳入27名大学生，每名大学生评估其右膝关节即共27个右膝关节。膝关节急性损伤重点关注半月板、软骨、骨髓、交叉韧带和关节腔，并对其病变（包括关节腔积液）进行评分。在放射科影像归档和通信系统工作站上分析MRI图像，由一名具有肌骨诊断经验（5年）的放射科医生和一名肌骨影像诊断专家（10年）单独对图像进行分析。

半月板损伤采用5分制（0~4级）^［5］。1级病变为与关节面不相连的点状高信号；2级病变为未达关节面的线状高信号影；3级病变为线状高信号延伸到半月板的一个关节面（半月板撕裂）；4级病变的信号达到一个半月板的上下表面（复杂的半月板撕裂）^［6］。

软骨损伤根据Outerbridge的分类系统，使用5分制（0~4级）^［6］。1级病变为软骨基质的不规则信号，但表面完整，2级病变为表浅部缺损或裂痕，累及关节深度的50%以下，3级病变为累及关节深度的50%或更多软骨，4级病变为累及全层的软骨磨损和软骨下骨暴露。

骨髓水肿和韧带（包括前后交叉韧带）病变采用3分制（0~2级）。骨髓水肿1级病变为矢状位水脂分离序列图像上看到的高信号最大直径<10 mm，2级则为高信号的最大直径≥10 mm ^［7］。韧带病变3分制，即完整、部分撕裂和完全撕裂：完整为均一的低信号且从起点到止点连续；部分撕裂为韧带内信号增加，韧带方向保持不变；完全撕裂为韧带信号的不连续或韧带消失。

关节积液采用3分制（0~2级），0级为无积液，1级为髌后囊内液体最大直径<10 mm，2级为髌后囊内液体最大直径≥10 mm^［8］。

关节软骨分割，使用Siemens Chondral Health（2.1版）原型软件，参考国际软骨修复协会将软骨分割成21个亚区^［9］（表1），软骨分割的算法基于Fripp提出的流程和算法，最终生成每个亚区软骨体积、厚度及T₂值的结果^［10］（图1）。

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表1

膝关节软骨21个亚区

表1

膝关节软骨21个亚区

股骨软骨	髌软骨	胫骨软骨
股骨髁内后区	髌骨外侧下区	胫骨平台外侧后区
股骨髁内侧中央区	髌骨外侧中央区	胫骨平台外侧中央区
股骨髁前内侧区	髌骨外侧上区	胫骨平台外侧前区
股骨滑车内侧区	髌骨内侧下区	胫骨平台内侧后区
股骨滑车中心区	髌内侧中央区	胫骨平台中央内侧区
股骨滑车外侧区	髌骨内侧上区	胫骨平台内侧前区
股骨髁外侧后区
股骨髁外侧中央区
股骨髁外侧前区

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图1

膝关节软骨亚区自动分割MRI示意图　A、B：分别为在三维双回波稳态序列中分割示意图和分割出的软骨亚区三维示意图；绿色（深绿色、浅绿色）为髌骨软骨，暖色调（红色、橘红等）为股软骨，冷色调（浅蓝色、深蓝色等）为胫骨软骨

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图1

四、统计学分析

应用SPSS 21.0统计软件进行统计分析。使用组内相关系数评价观察者间定量测量的一致性。年龄、体质指数及T₂值为计量资料，符合正态分布以 $\bar{x} \pm s$ 表示。徒步前与徒步后半月板、软骨、韧带、骨髓水肿、关节积液分级比较选用配对双样本非参数检验（Wilcoxon检验），徒步前、后的软骨体积厚度和T₂值比较选用配对t检验。双侧检验，检验水准α=0.05。

结果

一、一致性评价

两名诊断医师观察者组内相关系数为0.831，（95%CI：0.780~0.871），提示观察者间测量数据一致性良好。

二、受试者徒步拉练前后膝关节急性损伤的变化情况

1. 半月板损伤：27名大学生共54个半月板（每名受试者右膝内外侧2个半月板）中，徒步后有10个半月板损伤从0级发展到1级（内6，外4），6个从0级发展到2级（内2，外4），1个从0级发展到3级（外侧），7个从1级发展到2级（内2，外5），2个从1级发展到3级（内1，外1），2个从2级发展到3级（内1，外1）（图2A、2B，表2），整体差异具有统计学意义（Z=-3.21，P<0.001）；其余26个半月板损伤未发生变化。

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图2

大学生徒步拉练前后膝关节损伤MRI影像学变化　A、B：分别为拉练前后内侧半月板变化，从1级发展到3级；C、D示徒步前后前交叉韧带变化（从0级发展到1级）；E、F示徒步前后骨髓水肿变化（从0级发展到2级）；G、H示徒步前后关节积液变化［从1级（7.6 mm）发展到2级（11.1 mm）］

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图2

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表2

27名大学生徒步拉练前后膝关节急性损伤情况比较

表2

27名大学生徒步拉练前后膝关节急性损伤情况比较

损伤	徒步前	徒步后	Z/t值	P值
内侧半月板（个）			-3.21	0.001
0级	18	10
1级	6	9
2级	3	6
3级	0	2
4级	0	0
外侧半月板（个）			-3.32	0.001
0级	15	6
1级	10	8
2级	1	9
3级	1	4
4级	0	0
前交叉韧带（个）			-2.00	0.046
0级	27	23
1级	0	4
2级	0	0
后交叉韧带（个）			-	-
0级	27	27
1级	0	0
2级	0	0
软骨损伤（个）			-3.22	0.001
0级	26	14
1级	1	4
2级	0	5
3级	0	3
4级	0	1
骨髓水肿（个）			-3.41	0.001
0级	26	12
1级	0	5
2级	1	10
关节积液（个）			-3.17	0.002
0级	0	0
1级	27	22
2级	0	5
关节积液量（ml， $\bar{x} \pm s$ ）^a	5.87±1.74	6.80±1.11	-2.25	0.024

注：^a 22名关节腔积液分级无变化者统计结果，徒步前后积液量比较用配对t检验

2. 韧带损伤：徒步后，有4名大学生前交叉韧带损伤从0级发展到1级（14.8%）（表2，图2C、2D），整体差异具有统计学意义（Z=-3.21，P=0.046）；其余23名大学生前交叉韧带损伤未发生变化。后交叉韧带徒步后未观察到损伤。

3. 软骨损伤：徒步后，有1名大学生软骨损伤从1级发展到4级，有12名大学生软骨损伤分别从0级发展到1级（4名）、2级（5名）和3级（3名），整体差异具有统计学意义（Z=-3.22，P<0.001）；其余14名大学生软骨损伤未发生变化。

4. 骨髓水肿：徒步后，有9名大学生骨髓水肿从0级发展到2级（见图2E、2F），有5名大学生从0级发展到1级（表2），整体差异具有统计学意义（Z=-3.41，P<0.001）；其余13名大学生骨髓水肿未发生变化。

5.关节腔积液：徒步后，5名大学生（18.5%）关节积液由1级发展成为2级（图2G、2H，表2），差异具有统计学意义（Z=-3.17，P=0.002）；其余22名大学生虽然关节积液等级没有变化，但关节积液量的变化差异有统计学意义（t=-2.25，P=0.024）。

三、受试者徒步拉练前后膝关节软骨亚区体积变化情况

较徒步拉练前，拉练后股骨髁内侧中央区体积减小［（1.18±0.21）mm³比（1.26±0.17）mm³；t=2.16，P=0.040］，股骨滑车中心区体积增加［（1.84±0.32）mm³比（1.67±0.29）mm³；t=-3.18，P=0.004］（表3）。其余软骨亚区变化差异均无统计学意义（均P>0.05）。

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表3

27名大学生徒步拉练前后膝关节软骨不同亚区体积比较（mm³，n=27， $\bar{x} \pm s$ ）

表3

27名大学生徒步拉练前后膝关节软骨不同亚区体积比较（mm³，n=27， $\bar{x} \pm s$ ）

亚区	徒步前	徒步后	t值	P值
股骨髁内侧中央区	1.26±0.17	1.18±0.21	2.16	0.040
股骨滑车中心区	1.67±0.29	1.84±0.32	-3.18	0.004

四、受试者徒步拉练前后膝关节软骨亚区厚度变化情况

较徒步拉练前，拉练后股骨髁内后区［（1.37±0.27）mm比（1.53±0.18）mm］、股骨髁内侧中央区［（1.42±0.25）mm比（1.54±0.17）mm］、股骨髁外侧后区［（1.53±0.20）mm比（1.62±0.20）mm］、股骨髁外侧中央区［（1.72±0.28）mm比（1.83±0.28）mm］、髌骨外侧上区［（1.84±0.45）mm比（2.04±0.42）mm］、髌骨内侧上区［（2.20±0.58）mm比（2.46±0.50）mm］、胫骨平台外侧后区［（1.99±0.27）mm比（2.08±0.23）mm］、胫骨平台外侧前区［（1.74±0.19）mm比（1.85±0.21）mm］、胫骨平台内侧后区［（1.45±0.21）mm比（1.58±0.16）mm］、胫骨平台中央内侧区［（1.81±0.22）mm比（1.91±0.15）mm］、胫骨平台内侧前区［（1.44±0.13）mm比（1.53±0.15）mm］软骨厚度均变薄（t=2.84、2.66、2.54、2.20、2.27、2.39、2.22、2.16、2.83、2.10、2.14，均P<0.05）（表4）；其余软骨亚区变化差异无统计学意义（P>0.05）。

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表4

27名大学生徒步拉练前后膝关节软骨不同亚区厚度比较（mm，n=27， $\bar{x} \pm s$ ）

表4

27名大学生徒步拉练前后膝关节软骨不同亚区厚度比较（mm，n=27， $\bar{x} \pm s$ ）

亚区	徒步前（mm）	徒步后（mm）	t值	P值
股骨髁内后区	1.53±0.18	1.37±0.27	2.84	0.009
股骨髁内侧中央区	1.54±0.17	1.42±0.25	2.66	0.013
股骨髁外侧后区	1.62±0.20	1.53±0.20	2.54	0.017
股骨髁外侧中央区	1.83±0.28	1.72±0.28	2.20	0.036
髌骨外侧上区	2.04±0.42	1.84±0.45	2.27	0.032
髌骨内侧上区	2.46±0.50	2.20±0.58	2.39	0.024
胫骨平台外侧后区	2.08±0.23	1.99±0.27	2.22	0.035
胫骨平台外侧前区	1.85±0.21	1.74±0.19	2.16	0.039
胫骨平台内侧后区	1.58±0.16	1.45±0.21	2.83	0.009
胫骨平台中央内侧区	1.91±0.15	1.81±0.22	2.10	0.045
胫骨平台内侧前区	1.53±0.15	1.44±0.13	2.14	0.041

五、受试者徒步拉练前后膝关节软骨亚区MRI T₂值变化情况

较徒步拉练前，徒步后股骨髁内后区［（40.57±26.23）ms比（67.10±47.46）ms］、股骨滑车中心区［（80.10±20.56）ms比（98.42±23.58）ms］、股骨髁外侧前区［（87.92±24.95）ms比（108.84±29.24）ms］、胫骨平台外侧后［（50.49±19.18）ms比（76.97±37.16）ms］、胫骨平台外侧中央区［（38.89±15.82）ms比（69.70±40.16）ms］、胫骨平台外侧前区［（55.84±24.53）ms比（106.35±50.01）ms］及胫骨平台内侧前区［（72.38±36.64）ms比（105.31±39.34）ms］T₂值均降低，而髌骨外侧上区［（102.13±44.47）ms比（72.20±28.37）ms］、髌骨内侧上区［（97.42±44.86）ms比（76.67±51.64）ms］T₂值均增高（t=3.12、3.24、3.95、3.81、4.67、3.27、-2.53、-2.16，均P<0.05）（表5）；其余软骨亚区变化差异无统计学意义（P>0.05）。

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表5

27名大学生徒步拉练前后膝关节软骨不同亚区MRI T₂值比较（ms，n=27， $\bar{x} \pm s$ ）

表5

27名大学生徒步拉练前后膝关节软骨不同亚区MRI T₂值比较（ms，n=27， $\bar{x} \pm s$ ）

亚区	徒步前	徒步后	t值	P值
股骨髁内后区	67.10±47.46	40.57±26.23	2.89	0.008
股骨滑车中心区	98.42±23.58	80.10±20.56	3.12	0.004
股骨髁外侧前区	108.84±29.24	87.92±24.95	3.24	0.003
髌骨外侧上区	72.20±28.37	102.13±44.47	-2.53	0.018
髌骨内侧上区	76.67±51.64	97.42±44.86	-2.16	0.040
胫骨平台外侧后区	76.97±37.16	50.49±19.18	3.95	0.001
胫骨平台外侧中央区	69.70±40.16	38.89±15.82	3.81	0.001
胫骨平台外侧前区	106.35±50.01	55.84±24.53	4.67	0.000
胫骨平台内侧前区	105.31±39.34	72.38±36.64	3.27	0.003

讨论

在国务院印发的《全民健身计划（2016—2020年）》及教育部、中央军委国防动员部联合制订了《普通高等学校军事课教学大纲》的背景下，各高校将运动锻炼作为大学生的必修考核项目。徒步拉练也成为高校提高学生综合国防素质和体能素质的手段之一，但长途徒步拉练对膝关节的损伤研究国内目前仍未见到。

本研究结果显示长途徒步拉练后，被试内外侧半月板和前交叉韧带均出现损伤，且骨髓水肿、关节积液也加重。研究发现经常长途徒步的人膝关节疼痛发生率明显增高^［1］；而累积高强度的徒步会直接导致半月板损伤^［2］。对成人马拉松运动的研究也发现类似的半月板损伤及骨髓水肿^［11］等表现。本研究结果提示长途徒步运动对半月板、韧带、关节软骨等均造成了急性损伤，原因可能是徒步总距离长且有大量崎岖路线，膝关节进行长时间高频次大幅度屈伸活动，累计负荷大，进而产生损伤。

对关节软骨的进一步分析发现，长途徒步后短期股骨、胫骨及髌软骨均有不同程度的体积及厚度减少，仅在股骨滑车中心区有软骨体积增加。既往研究认为在长途运动后软骨厚度比体积的变化更敏感^［12］，但主要集中在长跑运动对于软骨形态的影响，并且说法不一。Mühlbauer等^［13］的研究发现长跑后膝关节软骨厚度没有明显差异；而更多研究则表明，长跑后软骨体积和厚度减少^{［14, 15, 16］}。而长途徒步不同于马拉松运动，其单次运动负荷小，但步幅小且重复运动次数多，包括频繁上下坡会造成下肢轴线及膝关节生物力学的改变，各软骨亚区不同轴向的关节应力刺激的改变，会产生累积和叠加微细损伤，引起软骨形态的改变。本研究发现长途徒步后股骨滑车中心区软骨体积增加，而对马拉松运动的研究发现股骨外侧中央区软骨体积增加^［17］，即集中在侧向受力较小但径向受力较大的位置。这种改变是否是对于持续性压力负荷的短期代偿性变化，需要进一步随访研究进行验证。

本研究中发现，在长途徒步之后短期内，髌骨内、外侧上区软骨T₂值升高，而股骨及胫骨平台大部分区域软骨T₂值降低。T₂值主要受软骨中的水含量和软骨胶原纤维影响，T₂值的改变通常代表含水量的增加和胶原纤维各向异性的丧失^［18］。研究发现马拉松运动后软骨T₂值会出现“变化后恢复”的过程^{［19, 20］}，提示软骨胶原纤维的变化是可逆的。而本研究中T₂值变化有一定规律，髌骨软骨的T₂值升高，而压力负荷大的股骨、胫骨内外侧软骨区域T₂值明显降低。可能原因是膝关节不同压力负荷区域软骨损伤程度不同，其T₂值变化和其恢复过程均存在差异。

本研究有一定的局限性：（1）纳入被试较少，需进一步增大样本量以提高可信度；（2）出于伦理的要求，膝关节及软骨变化均无病理作为金标准；（3）随访仅在拉练后24 h，下一步需延长随访时间，更准确地评价短期改变的远期恢复情况；（4）部分受试者在徒步前有轻度损伤，但程度较轻且比例较少，符合真实世界研究的原则，因此仍将其纳入，由于总体样本量较少，也未对该部分被试进行分组讨论；（5）本研究的被试均为青年学生，该人群具有代谢旺盛、仍处在发育阶段等特点^［18］，因此在成年人及中老年人群中是否有类似的结果仍需进一步的研究。

综上所述，长途徒步拉练会导致青年大学生膝关节急性损伤产生；膝关节软骨亚区厚度整体均呈变薄趋势，而体积和T₂值则呈现不同的变化趋势。高分辨率磁共振及膝关节软骨自动分割技术可以较好地反映长途徒步拉练对大学生膝关节急性损伤及膝关节软骨亚区的影响。

利益冲突

所有作者均声明不存在利益冲突

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贡献者信息

胡晓飞

陆军军医大学第一附属医院放射科，重庆　400000

刘玲玲

陆军军医大学第一附属医院放射科，重庆　400000

甄志铭

陆军军医大学第一附属医院放射科，重庆　400000

郑雅兰

陆军军医大学第一附属医院放射科，重庆　400000

秦新

贵州省兴义市人民医院医学影像科，兴义　562400

胡彦

陆军军医大学陆军卫勤训练基地，重庆　400000

陈伟

陆军军医大学第一附属医院放射科，重庆　400000

通信作者

胡彦

陆军军医大学陆军卫勤训练基地，重庆　400000

Email：huyan7785@sina.com

陈伟

陆军军医大学第一附属医院放射科，重庆　400000

Email：landcw@hotmail.com

关键词

运动医学; 长途徒步拉练; 膝关节损伤; 软骨; 亚区; 高分辨率磁共振; 自动分割技术;

基金项目

陆军官兵军事训练预防研究项目（2019ZLX001）

作者声明

作者贡献声明　胡晓飞：试验设计、数据分析、论文撰写；刘玲玲：数据分析、统计学分析；甄志铭、郑雅兰：数据收集、磁共振技术指导、序列调整优化；秦新：人口学资料的收集、整理；胡彦、陈伟：研究指导、论文修改、经费支持

引用本文：胡晓飞, 刘玲玲, 甄志铭, 等. 大学生长途徒步拉练对膝关节急性损伤及软骨亚区影响的MRI定量分析[J]. 中华医学杂志, 2022, 102(9): 659-665. DOI: 10.3760/cma.j.cn112137-20210707-01523.

利益冲突

所有作者均声明不存在利益冲突

历史

出版日期：2022-03-08

收稿日期：2021-07-07

本文编辑

李君

Sports Radiology for Marathon

Magnetic resonance imaging quantitative analysis of knee joint injury and cartilage before and after long-distance march and training for college students

Hu Xiaofei, Liu Lingling, Zhen Zhiming, Zheng Yalan, Qin Xin, Hu Yan, Chen Wei

Published 2022-03-08

Cite as Natl Med J China, 2022, 102(9): 659-665. DOI: 10.3760/cma.j.cn112137-20210707-01523

Abstract

Objective

To assess the effects of long-distance march and training on acute knee injury and knee cartilage sub-regions of college students using quantitatively magnetic resonance imaging analysis.

Methods

Twenty-seven young male students from freshman classes in the Army Military Medical University were enrolled in September 2019, aged from 17 to 20 (19.48±0.14) years, participated in the whole 8-day, 240 km long-distance march and training. Three-dimensional quantitative MRI was performed on the right knee using high-field MRI before (baseline) and 1 day after (follow-up) march. The assessment indexes included: meniscus and cartilage injury(5-point scale), bone marrow and ligament injury, and joint effusion(3-point scale). Using semi-automatic cartilage segmentation and 3D data post-processing techniques, a total of 21 sub-regions of cartilage volume and thickness were measured in the medial and lateral femur, medial and lateral tibia. Paired-samples t-test was used to compare the changes in quantitative cartilage indices of the knee joint before and after march.

Results

In terms of acute knee injuries, medial and lateral meniscus injuries (grade 1-3) occurred in 8 and 9 college students, respectively compared with those before march. Anterior cruciate ligaments injury occurred in 4 college students and developed from grade 0 to grade 1. Bone marrow edema occurred in 10 students and developed from grade 0 to grade 2, and in 5 students from grade 0 to grade 1. Joint effusion occurred in 5 college students and developed from grade 1 to grade 2 (all P<0.05). In terms of quantitative analysis of cartilage subregion of knee joint, the volume of central region of femoral pulley increased [(1.84±0.32) mm³ vs (1.67±0.29) mm³] and the volume of central region of medial femoral condyle decreased [(1.18±0.21) mm³ vs (1.26±0.17) mm³] compared with that before march (all P<0.05); The cartilage thickness of 11 cartilage subregion [(1.37±0.27) mm vs (1.53±0.18) mm], [(1.42±0.25) mm vs (1.54±0.17) mm], [(1.53±0.20) mm vs (1.62±0.20) mm], [(1.72±0.28) mm vs (1.83±0.28) mm], [(1.84±0.45) mm vs (2.04±0.42) mm], [(2.20±0.58) mm vs (2.46±0.50) mm], [(1.74±0.19) mm vs (1.85±0.21) mm] [(1.45±0.21) mm vs (1.58±0.16) mm], [(1.81±0.22) mm vs (1.91±0.15) mm], [(1.44±0.13) mm vs (1.53±0.15) mm] was thinner than that before march (all P<0.05). The T₂ values of 7 cartilage subregion [(40.57±26.23) ms vs (67.10±47.46) ms], [(80.10±20.56) ms vs (98.42±23.58) ms], [(87.92±24.95) ms vs (108.84±29.24) ms], [(50.49±19.18) ms vs (76.97±37.16) ms], [(38.89±15.82) ms vs (69.70±40.16) ms] [(55.84±24.53) ms vs (106.35±50.01) ms] and [(72.38±36.64) ms vs (105.31±39.34) ms] were lower than those before march, while the T₂ values of the two subregions of patellar cartilage [(102.13±44.47) ms vs (72.20±28.37) ms], [(97.42±44.86) ms vs (76.67±51.64) ms] were higher than those before march (P<0.05). There was no significant difference in other cartilage subareas (P>0.05).

Conclusions

Long distance hiking will lead to acute injury of knee joint of young college students. The thickness of cartilage subregion of knee joint showed a thinning trend as a whole, while the volume and T₂ values showed different trends.

Key words:

Sports medicine; Long-distance march and training; Knee joint injury; Cartilage; High-resolution magnetic resonance imaging; Automatic cartilage segmentation

Contributor Information

Hu Xiaofei