Способ проведения функциональной магнитно-резонансной томографии коленного сустава и крестообразных связок в движении Российский патент 2025 года по МПК A61B5/55 

Изобретение относится к медицине, а именно к лучевой диагностике и травматологии и может быть использовано для оценки состояния структур коленного сустава и прогнозирования необходимости проведения артроскопии коленного сустава и нехирургического лечения/реабилитации, в том числе после пластики связок (разрывы связок, нестабильность в суставе, артрофиброз, неправильное положение костных каналов трансплантата) с использованием предложенной методики функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Разрыв крестообразных связок (S83.5) - частая травма как у спортсменов, так и людей, ведущих активный образ жизни. Частота разрыва передней крестообразной связки (ПКС) составляет от 30 до 78 на 100,000 человек населения в год [Sanders TL, Maradit Kremers Н, Bryan AJ, Larson DR, Dahm DL, Levy BA, Stuart MJ, Krych AJ. Incidence of Anterior Cruciate Ligament Tears and Reconstruction: A 21-Year Population-Based Study. Am J Sports Med. 2016 Jun;44(6): 1502-7. doi: 10.1177/0363546516629944. Epub 2016 Feb 26. PMD: 26920430].

Непосредственно в момент травмы пострадавший чувствует резкую боль, характерный треск или щелчок в колене. В течение первых суток нарастает отек. В полости сустава скапливается большое количество крови (гемартроз), нервные окончания повреждаются, из-за чего опираться на больную ногу невозможно. После окончания острого периода пациенты испытывают дискомфорт из-за нестабильности сустава. Неприятные симптомы нарастают во время физической активности, при вращательных или резких движениях, а также при занятиях спортом. Сам по себе разрыв передней крестообразной связки не является прямым показанием к операции. Решающее значение имеет нестабильность сустава. Если пациент ощущает неустойчивость колена, смещение голени, подворачивание, это требует хирургического лечения. Сами разорванные волокна связки срастись не могут из-за недостаточного кровообращения в этой области.

Золотым стандартом диагностики разрыва крестообразных связок на протяжении последних десятилетий остается артроскопия.

При этом остается дискутабельной роль и место стандартной МРТ в выявлении разрывов передней и задней крестообразной связок (ЗКС). Метаанализ на основании нескольких исследований показал сравнимую точность клинического теста и стандартной МРТ в диагностике повреждений ПКС и ЗКС [Megan P. Brady and Windee Weiss. Clinical Diagnostic Tests Versus MRI Diagnosis of ACL Tears/Journal of Sport Rehabilitation, 2018? 596-600 https://doi.org/10.1123/jsr.2016-018].

Клинический тест пациента с разрывом ПКС/ЗКС включает в себя анамнез с характерной травмой, положительные тесты Лахмана или переднего/заднего выдвижного ящика, негативный тест pivot shift, при наличии - аппаратное артрометрическое тестирование. Тем не менее, точное детектирование разрыва (особенно частичного разрыва ПКС) при клиническом тесте ограничено рядом факторов. Тесты ПКС/ЗКС сложно провести у тучных пациентов. Пациенты часто щадят поврежденное колено, не давая к нему прикоснуться. Отек, а также сопутствующие повреждения мышц коленной области могут сильно ограничить выполнение тестов Лахмана и выдвижного ящика. В дополнении к этому исследования показали, что функционально значимые разрывы ПКС вовлекающие переднемедиальный пучок, могут быть пропущены при физикальном осмотре. [Lintner DM, Kamaric Е, Moseley JB, Noble PC: Partial tears of the anterior cruciate ligament. Are they clinically detectable" Am J Sports Med 1995 Jan-Feb; 23(1): 111-8].

Частичные разрывы передней крестообразной связки встречаются все чаще. Клинический прогноз после частичного разрыва ПКС неоднозначный и противоречивый, и определяется в первую очередь степенью или процентом повреждения волокон связки, а также ассоциированными с этим разрывами менисков, других связок и остеохондральными повреждениями. Считается, что небольшие повреждения ПКС (менее 25% волокон) имеют благоприятный прогноз в отношении самостоятельного заживления, если сохранена стабильность коленного сустава. Частичные разрывы, вовлекающие 50-75% ПКС демонстрируют высокий риск прогрессии и полного разрыва в будущем [Stone AV, Marx S, Conley CW. Management of Partial Tears of the Anterior Cruciate Ligament: A Review of the Anatomy, Diagnosis, and Treatment. J Am Acad Orthop Surg. 2021 Jan 15; 29(2):60-70. doi: 10.5435/JAAOS-D-20-00242. PMID: 33394613].

Точность определения частичных разрывов передней крестообразной связки по данным стандартной МРТ сильно варьирует и при стандартном исследовании ограничено формулировкой «есть/нет».

Большую сложность по МРТ представляет определение степени/процента повреждения волокон. Еще больший интерес и практическое значение для пациента представляет диагностика функционального состояния ПКС и стабильности коленного сустава, что невозможно по традиционному МРТ в положении его полного разгибания в покое [Jog AV, Smith TJ, Pipitone PS, Toorkey ВС, Morgan CD, Bartolozzi AR. Is a Partial Anterior Cruciate Ligament Tear Truly Partial? A Clinical, Arthroscopic, and Histologic Investigation. Arthroscopy. 2020 Jun; 36(6): 1706-1713. doi: 10.1016/j.arthro.2020.02.037. Epub 2020 Mar 6. PMTD: 32151662.].

В таких случаях большую ценность представляет собой представляет исследование в движении - функциональное МРТ коленного сустава.

На МРТ в положении сгибания и на МРТ в режиме реального времени движения коленного сустава (динамический диапазон флексии-экстензии около 45 градусов на MP-томографах с апертурой 60 см) удается получить ряд важных характеристик: ПКС, свидетельствующих о степени ее разрыва, а главное - функциональна связка или нет, есть нестабильность в суставе или нет. В положении сгибания происходит физиологическое уплощение и утолщение нормальной, не измененной, передней крестообразной связки с небольшой ротацией волокон. При частичном разрыве связки с нарушением функции данный механизм не работает. ПКС выглядит так же как и в нейтральной позиции полного разгибания. В ряде случаев в положении сгибания удается оценить структуру ПКС значительно лучше, произведя точное измерение степени повреждения волокон переднемедиального и заднелатерального пучков. Особый интерес представляет собой изучение биомеханики коленного сустава и взаимоотношения мыщелков бедренной и большеберцовой костей у пациентов с неповрежденной ПКС, и в случае ее разрыва и нарушения стабильности. Отмечается увеличение расстояния между передненижним краем латерального мыщелка бедренной кости и зоной межмыщелкового возвышения более 25 мм, парадоксальная подвижность передних отделов большеберцовой кости при ее возврате в нейтральную позицию (полного разгибания в коленном суставе в положении лежа).

В отечественной литературе нет упоминаний о патентах или протоколе обследования пациентов на МРТ коленного сустава в движении перед травматологическими вмешательствами с целью уточнения структурных повреждений крестообразных связок сустава, наличия признаков нестабильности и оценки биомеханики.

Известны изобретения, описывающие протоколы сканирования крестообразных связок и внутренних структур коленного сустава на МРТ в стандартной позиции, без движения: «Способ получения изображения передней крестообразной связки коленного сустава при магнитно-резонансной томографии» [Патент RU 2169522, опубликован 27.06.2001 г.]; «Способ диагностики внутренних структур коленного сустава при магнитно-резонансной томографии» [Патент RU 2656562, опубликован 05.06.2018 г.].

Данные способы представляют собой разновидность стандартного МРТ коленного сустава и имеют недостаток - они не позволяют оценить биомеханику и функцию ПКС и ЗКС коленного сустава.

Также известно изобретение «Способ ультразвукового определения величины латеральной дислокации надколенника» [Патент RU 2533837, опубликован 20.11.2014 г.], оценивающее в движении состояние пателлофеморального сустава с помощью ультразвукового исследования (УЗИ). Однако метод УЗИ не позволяет достоверно оценить центральные отделы коленного сустава и не может быть использован для верификации повреждения крестообразных связок.

Компьютерная томография (КТ) на современных томографах (256-320-640 срезов) подходит для оценки костных структур коленного сустава в движении, что было показано на примере пателлофеморального сочленения [Бахвалова В.А. Функциональная мультиспиральная компьютерная томография коленного сустава в диагностике патологии пателлофеморального сочленения. Канд. дисс. 2022 г.]. При этом, КТ имеет низкий мягкотканный контраст, который не подходит для оценки внутренних структур сустава (хряща, менисков, связок). Также по-прежнему актуальным остается вопрос о лучевой нагрузке при этих исследованиях, особенно у молодых пациентов и спортсменов, которые чаще подвержены риску травм крестообразных связок.

В зарубежной литературе описаны методики функционального МРТ коленного сустава, однако предложенные способы диагностики требуют использования дополнительного оборудования или являются субоптимальными по укладке, например, в положении лежа на боку [Garetier, М., Borotikar, В., Makki, K. et al. Dynamic MRI for articulating joint evaluation on 1.5 T and 3.0 T scanners: setup, protocols, and real-time sequences. Insights Imaging 11, 66 (2020). https://doi.org/10.1186/s13244-020-00868-5]. Также остается неотработанным протокол сканирования на томографах закрытого типа с напряженностью магнитного поля 1,5-3 Тесла и не описана семиотика повреждений крестообразных связок в движении в корреляции с последующей артроскопией.

Существуют единичные исследования по оценке анатомии и функции ПКС в движении на томографе открытого типа [Guenoun, D., Vaccaro, J., Le Corroller, Т. et al. A dynamic study of the anterior cruciate ligament of the knee using an open MRI. Surg Radiol Anat 39, 307-314 (2017). https://doi. org/10.1007/s00276-016-1730-x].

Функциональное MPT коленного сустава представляет собой метод определения патологии структур коленного сустава при выполнении МРТ в движении в режиме реального времени, а также в статических позициях колена при разных углах сгибания.

В известных авторам источниках патентной и научно-технической информации не описан способ функциональной МРТ коленного сустава и протокола диагностики патологии крестообразных связок в движении.

Таким образом, разработка нового способа функциональной МРТ коленного сустава и протокола диагностики патологии крестообразных связок в движении является крайне актуальной проблемой.

В настоящее время существует проблема в недостаточной точности выявления разрывов (особенно частичных) крестообразных связок на стандартном МРТ и при клинических тестах, невозможность определения функции поврежденных связок или аутотрансплантатов на дооперационном этапе, крайне низкая точность функционального КТ и УЗИ для оценки внутренних структур центральных отделов сустава.

Целью изобретения является разработка нового способа проведения МРТ коленного сустава в движении и разработка протокола диагностики разрывов крестообразных связок (S83.5), оценки степени их повреждения, функциональной состоятельности, выявление осложнений пластики связок, а также оценке биомеханики коленного сустава и тем самым выбором правильной тактики лечения.

Указанный технический результат достигается тем, что сканирование проводится с использованием гибких катушек для суставов в специальном режиме в момент сгибания/разгибания колена с использованием техник одиночного сканирования, которые собирают все необходимые данные к-пространства для реконструкции с помощью одного возбуждения (например, импульсные последовательности быстрого спин-эха с половинным Фурьер преобразованием - SSFSE/SSTSE/HASTE), что минимизирует артефакты от движения, а фиксация катушек сбоку от сустава обеспечивает объем сгибания, превышающий физиологический при ходьбе или беге (40-60 градусов в зависимости от длины голени и апертуры томографа).

Исследование (сканирование) выполняется путем стандартного набора последовательностей в специальном укладе с дальнейшим визуализированием крестообразных связок в режиме реального времени, дополняется статичными последовательностями в положении сгибания коленного сустава для оценки степени повреждения ПКС и ЗКС, аутотрансплантата, их функции, выявления нестабильности в коленном суставе, признаков артрофиброза, осложнений трансплантации ПКС с оценкой положения и функции трансплантата.

Изобретение работает следующим образом.

1. Пациента укладывают в MP-томограф (фиг. 1) в положении лежа на животе, ногами вперед, с использованием многоканальной гибкой радиочастотной катушки для исследования суставов. Катушка фиксируется сбоку от коленного сустава, вдоль его медиальной и латеральной поверхности. Фиксация колец катушки происходит вдоль стола томографа и сбоку, с наличием свободного пространства между кольцами по верхнему краю катушек для беспрепятственного движения в коленном суставе. Преимуществом является использование катушек с большим количеством каналов для повышения качества получаемых изображений. Важным условием является отсутствие поперечной фиксации между кольцами по верхнему краю катушек для свободного сгибания в коленном суставе.

2. Центр исследования позиционируется стандартно, не уровне суставной щели коленного сустава.

3. Для предварительной разметки области исследования используется стандартный локалайзер для коленного сустава.

4. Выполняется стандартное исследование коленного сустава в нейтральной позиции (нога пациента разогнута в коленном суставе, движения в суставе отсутствуют). В протоколе сканирования необходимо правильно указать положение пациента - лежа на животе для получения не перевернутых изображений. Стандартный протокол обычно включает в себя следующие последовательности:

На фиг. 2. показана МРТ последовательность, взвешенная по протонной плоскости с жироподавлением (PD FS). Представленное изображение идентично изображению центральных отделов сустава в положении лежа на спине. Полученные изображения идентичны изображениям коленного сустава, выполненным в положении пациента на спине.

5. Проводится дополнительный локалайзер коленного сустава вдоль центральных структур сустава (крестообразных связок).

6. Пациент инструктируется о необходимости с началом сканирования томографа сгибать и разгибать колено (сгибание происходит до верхнего края гентри томографа). Время сканирования в зависимости от производителя и настроек томографа от 10 до 32 секунд. В среднем за этом время пациент делает от 2х до 4х циклов «сгибание-разгибание» в коленном суставе.

7. На фиг. 3 показана функциональная МРТ коленного сустава в кососагиттальной плоскости, ориентированной по ПКС (аутотрансплантата ПКС) во время свободного движения в коленном суставе. Показана ПКС в положении сгибания в суставе с физиологическим изгибом кзади и чередованием циклов «натяжение-расслабление» ее переднемедиального и заднелатерального пучков (стрелка).

8. На фиг. 4 показана функциональная МРТ коленного сустава в кососагиттальной плоскости, ориентированной по ЗКС. Показана ЗКС в положении сгибания в суставе с физиологическим натяжением волокон связки (стрелка).

9. Протокол исследования при необходимости может быть дополнен выполнением последовательностей с высоким пространственным разрешением в положении сгибания для всех анатомических структур сустава (стандартно это протонно-взвешенные изображения с подавлением сигнала от жировой ткани/PD FS, такие же как использовались при выполнении исследования в нейтральной позиции).

10. На фиг. 5 показана укладка пациента в положении лежа на животе, ногами вперед. Использованы мешочки с песком и дополнительная немагнитная подставка под коленный сустав, обеспечивающие устойчивое и стабильное сгибание в суставе около 45-50 градусов и подходящее для стандартных последовательностей, применяемых при МРТ коленного сустава - PD FatSat (SPIR/SPAIR/ASPIR). Такая технология позволяет придать коленному суставу необходимый угол сгибания и обеспечить проведение исследования в этом положении без напряжения ноги, в комфортных для пациента условиях. Время исследования такое же, как при стандартной укладке и составляет 3-4 минуты.

11. На фиг. 6 показана МРТ коленного сустава в положении сгибания в сагиттальной плоскости в режиме PD FS, укладка пациента в положении лежа на животе, ногами вперед, колено находится в положении сгибания под углом 45-50 градусов и фиксировано в этой позиции. В положении сгибания в режимах сканирования с высоким пространственным разрешением получают дополнительную информацию о состоянии структур коленного сустава, состояния волокон связки. Стрелкой показа интактная ПКС с гипоинтенсивным сигналом и плавным изгибом кпереди. Хорошо дифференцируются волокна связки.

Выполнена протонно-взвешенная последовательность в сагиттальной плоскости с жироподавлением (PD SPAIR). Показана нормальная структура ПКС с гипоинтенсивным сигналом, нормальным натяжением связки, видимая на всем протяжении(стрелка).

12. Исследование заканчивается, пациент с помощью рентген-лаборанта встает со стола томографа, дополнительных действий со стороны персонала или ограничений для пациента после проведенного исследования не требуется.

13. Исследование загружается на рабочую станцию для дальнейшей обработки изображений.

14. Используют медицинские DICOM-просмотровщики с функцией кино-режима для оценки работы крестообразных связок и аутотрнасплантатов, движения мыщелков бедренной и большеберцовой костей в режиме реального времени.

Изобретение подтверждается следующими клиническими примерами.

Пример №1.

Пациент П., 29 лет, жалобы на боли в коленном суставе, чувство нестабильности при беге и быстрой ходьбе. Травма получена 2 месяца назад во время катания на горных лыжах, произошло падение, и лыжа не отстегнулась. После этого возникла припухлость сустава и ограничение движений. К травматологу обратился спустя 1 месяц, выполнено стандартное МРТ коленного сустава, выявлен частичный разрыв ПКС, отек связки. На фиг. 7 показана МРТ, протонно-взвешенная последовательность в сагиттальной плоскости с жироподавлением. Отмечается отек и нарушение нормальной структуры ПКС без нарушения целостности (стрелка). Симптомы Лахмана и переднего выдвижного ящика при клиническом осмотре слабоположительные. С учетом стертой клинической картины и неоднозначных данных стандартного МРТ принято решение провести функциональное МРТ коленного сустава по указанному протоколу для оценки степени повреждения ПКС.

На фиг. 8 показана функциональная МРТ в режиме реального времени при разгибании (фиг. 8 А) и сгибании (фиг. 8 Б) ноги в коленном суставе получены данные о полном нарушении целостности волокон связки в среднем сегменте без признаков ее натяжения (стрелки).

Исследование дополнено анатомической серией в положении сгибания, которое также подтверждает полный разрыв ПКС в среднем сегменте.

На фиг. 9 показана функциональная МРТ, проведенная в положении сгибания под 40 градусов колена. Отмечается полное нарушение целостности волокон ПКС в среднем сегменте без признаков ее натяжения(стрелки). Выявляются 2 отдельные части связки.

Результаты функционального МРТ исследования подтверждены артроскопически, выполнена пластика ПКС аутотрансплантатом из сухожилий подколенных сгибателей.

Пример №2.

Пациент А., 47 лет, травма 6 месяцев назад после удара в колено при игре в футбол. После этого появились боли в коленном суставе, ограничение движений. С течением времени болевой синдром купировался, однако осталось чувство «стянутости» в суставе со слов пациента и ограничение движений. Редко присоединялся болевой синдром при беге. Симптомы заднего выдвижного ящика, переднего выдвижного ящика и Лахмана - отрицательные.

На фиг. 10 выполнена стандартная МРТ коленного сустава 6 месяцев назад - признаки интерстициального (внутрилигаментозного) разрыва ЗКС, протонно-взвешенная последовательность в сагиттальной плоскости с жироподавлением. Отмечается утолщение и отек ЗКС без нарушения целостности (стрелка).

С учетом нарастания признаков «стянутости» в суставе и ограничения движений через 6 месяцев выполнено повторное МРТ в стандартном режиме - отмечается частичная нормализация сигнала от ЗКС, признаки отека купировались. По заключению МРТ - положительная динамика интерстициального повреждения ЗКС (фиг. 11). Отмечается нормализация сигнала и уменьшение отека ЗКС через полгода после предыдущего МРТ (стрелка).

С учетом сохранения симптомов у пациента после консультации травматолога выполнено функциональное МРТ коленного сустава. При движении колена, при натяжении связки в положении сгибания и последующем расслаблении при разгибании колена отчетливо определяется рубец, сформированный в средней порции связки, и мешающей ее изометрическому натяжению и расслаблению, что и приводило к нарушению функции сустава. Рубец артроскопически верифицирован.

На фиг. 12 показана функциональная МРТ, по плоскости ЗКС в положении разгибания колена, сразу после сгибания. Отмечается округлое утолщение волокон связки в среднем сегменте, которое сохраняется во всех циклы работы связки - посттравматический фиброз (стрелка), и ограничивающих ее функцию.

Предлагаемый способ позволяет добиться стабильных и воспроизводимых диагностических результатов, значительно улучшает точность диагностики патологии крестообразных связок коленного сустава и позволяет оценить биомеханику коленного сустава, структуру и функцию крестообразных связок во всем цикле «натяжение-расслабление», выявить разрывы, влияющие на стабильность в суставе, оценить осложнения пластики крестообразных связок и их влияние на движения в суставе, что определяет необходимость проведения артроскопии и объем хирургического вмешательства.

Время функционального МРТ исследования не превышает 5 минут и может быть выполнено на любом MP-томографе с напряженностью магнитного поля 1,5-3 Тесла.

Таким образом, в результате применения предлагаемого способа повышается эффективность диагностики, заключающаяся в визуализации анатомии и повреждений крестообразных связок в движении, оценки их функции и определения стабильности в коленном суставе с использованием МРТ на дооперационном этапе и упрощается выбор дальнейших методик лечения пациентов.

Изобретение относится к медицине, а именно к лучевой диагностике и травматологии, может быть использовано для оценки состояния структур коленного сустава. Пациента укладывают в МР-томограф в положении лежа на животе, ногами вперед. Многоканальную гибкую радиочастотную катушку для исследования суставов фиксируют сбоку от коленного сустава, вдоль его медиальной и латеральной поверхности. Позиционируют центр исследования на уровне суставной щели коленного сустава. Выполняют исследование коленного сустава в нейтральной позиции, при которой нога пациента разогнута в коленном суставе, движения в суставе отсутствуют. Проводят дополнительный локалайзер коленного сустава вдоль центральных структур сустава. Выполняют МРТ коленного сустава в кососагиттальной плоскости, ориентированной по передней крестообразной связке, при импульсной последовательности - короткое однократное быстрое спиновое эхо с половинным Фурье-преобразованием/SSFSE/SSTSE/HASTE, при движении сгиба и выпрямления колена, при этом время сканирования составляет от 10 до 32 с, за которое производится 2-4 цикла «сгибание-разгибание» в коленном суставе. Способ позволяет оценить биомеханику коленного сустава, структуру и функцию крестообразных связок во всем цикле «натяжение-расслабление», выявить разрывы, влияющие на стабильность в суставе, оценить осложнения пластики крестообразных связок и их влияние на движения в суставе, что определяет необходимость проведения артроскопии и объем хирургического вмешательства за счет обследования коленного сустава в движении с помощью МРТ. 12 ил., 2 пр.

Способ проведения функциональной магнитно-резонансной томографии коленного сустава и крестообразных связок в движении, при котором:

- пациента укладывают в МР-томограф в положении лежа на животе, ногами вперед;

- многоканальную гибкую радиочастотную катушку для исследования суставов фиксируют сбоку от коленного сустава, вдоль его медиальной и латеральной поверхности;

- позиционируют центр исследования на уровне суставной щели коленного сустава;

- выполняют исследование коленного сустава в нейтральной позиции, при которой нога пациента разогнута в коленном суставе, движения в суставе отсутствуют;

- проводят дополнительный локалайзер коленного сустава вдоль центральных структур сустава;

- выполняют МРТ коленного сустава в кососагиттальной плоскости, ориентированной по передней крестообразной связке, при импульсной последовательности - короткое однократное быстрое спиновое эхо с половинным Фурье-преобразованием/SSFSE/SSTSE/HASTE, при движении сгиба и выпрямления колена, при этом время сканирования составляет от 10 до 32 с, за которое производится 2-4 цикла «сгибание-разгибание» в коленном суставе.