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MRI对膝关节损伤的检查方法及诊断价值

来源:中华现代影像学杂志
摘要:膝关节是人体最大最复杂的关节,膝关节损伤是临床常见病变,传统的影像学检查方法在膝关节骨质损伤、关节内软骨和软组织损伤诊断方面有很大的局限性,难以检测膝关节的全部情况,关节造影、关节镜诊断准确性很高,但两者均有创伤性。自MRI应用于临床后,其优越的多平面、多参数成像、软组织高对比度及高空间分辨率,使膝关节内......

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  膝关节是人体最大最复杂的关节,膝关节损伤是临床常见病变,传统的影像学检查方法在膝关节骨质损伤、关节内软骨和软组织损伤诊断方面有很大的局限性,难以检测膝关节的全部情况,关节造影、关节镜诊断准确性很高,但两者均有创伤性。自MRI应用于临床后,其优越的多平面、多参数成像、软组织高对比度及高空间分辨率,使膝关节内部微细结构得以显示,且具有无创伤等优点,是诊断膝关节损伤最理想的检查方法,为骨关节疾病的诊断开创了新局面。本文就常见膝关节损伤的MRI检查方法与诊断进展情况综述如下。

  1  膝关节损伤的MRI检查方法

  要清晰地显示膝关节的正常解剖结构及组织损伤程度,MR成像序列及参数的选择是非常关键的。

  1.1  膝关节组成骨及软骨损伤的MRI序列及扫描方法  膝关节关节软骨是覆盖在骨性关节面表面的一层透明软骨,大部分关节外伤病变都伴有关节软骨的异常。关节软骨在X线检查下无法显示,只能通过骨端的改变来推测关节软骨的病变。膝关节组成骨及软骨损伤的MRI扫描序列包括常规的SE序列T1WI、快速自旋回波(fast spin echo,FSE)序列T2WI或PDWI、梯度回波(gradient echo,GE)序列、脂肪抑制技术中的STIR序列等,以上序列均行矢状面及冠状面扫描,膑股关节面关节软骨的检查以横断面为主,辅以矢状面。膝关节处骨髓腔内含有丰富的骨髓,外伤后骨髓水肿、充血,MR检查对显示骨髓异常敏感,不仅能清楚地显示轻微的早期骨髓损伤情况,而且能明确病变范围和程度,这是X线、CT以及关节镜检查等不能比拟的。STIR序列是目前为止诊断骨髓损伤最为有效的影像检查手段,通过抑制骨髓腔内脂肪信号来显示骨髓水肿、充血等含水丰富组织的信号,可将软骨及半月板边缘刻画得很清晰。但STIR序列有成像时间长(一般为200s)、信噪比低等缺点。观察隐匿性骨折,以FLASH2D序列加脂肪抑制显示最佳。由于常规扫描序列对发现轻微关节软骨损伤的敏感性并不高,因而部分隐性骨软骨骨折有可能被诊断为隐性骨皮质骨折是可以理解的。Vellet等[1]发现隐性骨软骨骨折和伴有皮质压缩的隐性骨皮质骨折病例,经6~12个月的短期随访,67%的病例出现严重的骨软骨后遗症。Kepelov[2]和Arndt[3]等发现使用FSE-FS和SE-STIR序列脂肪抑制技术的T2W像可提高骨挫伤的检出率,提出骨挫伤的发生率比想象的可能要多,甚至报道过完全没有症状的骨挫伤病例。新近开展的化学位移脂肪成像和预饱和脂肪抑制技术等具备一定的优点,有待进一步探讨。近年来,国内外学者在实验中进行关节软骨多个序列扫描的比较研究,证明脂肪抑制三维扰相梯度回波(fat suppressed three dimensional spoiled gradient echo,3D FS SPGR)序列在关节软骨成像中具有很大的优势,该序列抑制了骨髓内脂肪组织,关节软骨下黑线明显变薄,另外该序列TE较短,使关节软骨的短T1得以显示,关节软骨呈高信号,而骨髓呈低信号,两者间形成鲜明对比[4],因此,对检查关节软骨缺损的敏感性和特异性分别达到81%及97%,准确性达到97%[5]。但该序列的最大缺点是扫描时间长,患者耐受力有限,运动伪影出现的机会大,难以作为常规序列在软骨成像中广泛应用。

  1.2  关节半月板退变和撕裂的MRI序列与扫描方法  膝关节半月板由纤维软骨构成,上面微凹,与股骨髁相适应,下面平坦,外缘肥厚,借冠状韧带与胫骨髁相连,内缘菲薄而游离。内侧半月板较大呈“C”形,纵切面呈三角形,从后向前逐渐变小,外缘与关节囊尤其胫侧副韧带紧密相连,外侧半月板呈“O”形,前后角及体部宽厚度略等,外缘除前、后角远端与关节囊紧连外,体部和后角大部分与关节囊尤其腓侧副韧带之间隔以肌腱及其腱鞘。因主要由纤维软骨构成,缺乏参与MRI成像的游离氢质子,在所有MRI序列上均呈均匀低信号,在矢状位最内(外)两层面上,半月板体部表现为上下面略凹的条状结构,在近中心层面上,其前后角显示为两个顶角相对的锐角三角形,前角体积略小,在冠状面上呈锐角三角形,内侧横径较宽,长度一般不超过20mm。MR矢状面及冠状面成像主要用来评价半月板的退变和撕裂,应用短回波时间能良好地显示半月板内部线样撕裂[6],包括传统的自旋回波(spin echo,SE)序列(T1WI、T2WI及PDWI)或GE序列。T1WI主要用于显示半月板内部退变和撕裂,T2WI用以观察半月板内部的信号变化以及膝关节周围软组织及骨的病变。但有报道应用FSE序列中的质子密度加权成像(双回波的第一回波),半月板及关节软骨显示很满意,半月板撕裂的显示明显优于SE序列,能充分地诊断半月板病变[6,7],其敏感性为80%,而传统的SE序列敏感性为90%以上,这是因为FSE序列中许多参数(视野、成像矩阵、切层方向等)的可变性小,限制了检查的灵活性。还有一些影像工作者采用短时反转恢复(short time inversion recovery,STIR)序列,通过抑制骨髓及关节周围脂肪来反映半月板内信号的改变,从而提高诊断半月板病变的阳性率。Magee等[8]认为冠状位STIR检查小的半月板桶柄状撕裂和关节镜比较,敏感性为93%。国内学者也证实MRI冠状位是诊断半月板桶柄样撕裂较为理想的检查方法。内侧半月板桶柄样撕裂的敏感性及特异性均比外侧高,髁间碎片征对内侧半月板桶柄样撕裂的诊断来说最有意义,而外侧半月板的桶柄样撕裂对诊断意义不大。双前角征及双后角征敏感性较低,但特异性高,领结消失征由于特异性较低,仅能作为参考。还可以采用辐射状扫描技术(其扫描方向与半月板的长轴方向垂直),对显示半月板和关节囊间的关系、确定半月板内混杂不清的Ⅱ、Ⅲ级信号改变非常有意义。另外,不同场强的MR机能提供不同质量的图像,是因为高场强能提供高信噪比、小视野、薄切层的优质影像且具有成像速度快的优点,层厚越薄显示关节结构越清楚,但对低场机型来说,层薄信噪比低,图像质量下降,结构反而模糊不清。国内学者张亚莉等研究证实低场MR膝关节扫描层厚10mm,信噪比高,对比度好,但仅有较少幅图像显示半月板,易遗漏病变,如扫描层厚选择7mm,可以在多幅图像上看到半月板等膝关节诸多结构,图像细腻,对比良好,故半月板检查通常以高场强机器为佳。如低场强机器则应选择合适层厚。

  1.3  膝关节韧带损伤的MRI序列与扫描方法  检查膝关节韧带的MRI序列很多,包括SE序列、梯度回波(gradient echo,GRE)序列、脂肪抑制(fat suppression,FS)技术等,但最常用的是SE序列,包括T1WI、T2WI和PDWI。文献报道3D-GRE序列可以集T1WI和T2WI的优点于一体,能清楚地显示正常膝关节的解剖结构和异常病变,准确率不亚于T1WI和T2WI,同时能缩短检查时间。脂肪抑制技术的T2WI或STIR对骨髓、软组织的水肿、软骨病变和关节积液的显示有很大帮助,通过抑制骨髓腔内的脂肪,使脂肪信号明显下降,而含水丰富组织的信号并不降低,仍呈较长信号改变,因而得以显示。显示前后交叉韧带最常用的切面是斜矢状面及斜冠状面,常规检查中用膝关节表面线圈,病人仰卧,膝关节自然伸直并外旋10°~20°,同时用沙袋或海绵固定肢体,使病人位置舒适,易于配合。对病人行斜矢状面及斜冠状面扫描,使扫描方向和韧带走行方向一致,以利于显示前后交叉韧带全长,矢状面成像对检查交叉韧带和半月板最有价值;冠状面对显示内外侧副韧带较好,也有助于进一步观察交叉韧带和半月板。横断面成像一般较少应用,主要用于弥补矢状面及冠状面成像的不足。国内外研究均发现对前交叉韧带有假阳性和假阴性的存在,降低了前交叉韧带撕裂的诊断准确性,产生假阳性的原因是由于韧带内的黏液样变性,它可使韧带内局部信号增高;另外还可因其股骨髁附着点的部分容积效应(主要在矢状面)及扫描方向未和前交叉韧带的方向相平行导致。通过冠状面、横断面和矢状面检查相结合、相互补充可减少假阳性及假阴性的发生率,对后交叉韧带一般很少产生假阳性及假阴性。

  1.4  其他合并损伤的MRI序列与扫描方法  关节囊、关节腔积液及关节周围软组织损伤等为常见的其他膝关节损伤,常规的膝关节MRI检查包括横断面、矢状面和冠状面,采用的序列有SE、FSE、GE、PF序列等。实践证明常规序列大多可清晰显示关节囊及关节腔积液及周围软组织的常见损伤,一般认为以PDWI显示膝关节解剖结构及半月板内异常信号最佳,以T2WI显示关节积液及软组织水肿、出血及韧带损伤等病变为好,膝关节暴力损伤致韧带损伤出血及水肿,局部液体含量增加,在T2WI上损伤部位出现明显高信号区。T1WI空间分辨率高,能较好地反映半月板的结构和周边组织;T2WI显示半月板的损伤程度较好,尤其在关节腔积液时更清楚。近年来有学者提出了弥散加权成像对膝关节腔积液诊断价值的探讨,从理论上讲,由于DWI对分子运动的高敏感性,完全能够区分不同关节炎类型导致的关节腔积液,虽然结果的可靠性尚有待进一步证实,但DWI在关节腔的应用无疑是MRI技术的发展对肌骨系统的又一大贡献,有望在提高DWI图像质量的同时通过弥散成像来鉴别关节腔积液的病因类型,为临床提供更可靠的诊断信息。

  2  膝关节损伤的MRI表现与病理学改变

  2.1  膝关节骨及软骨损伤的MRI表现及病理学特点  膝关节部位的骨髓腔信号对比主要由脂肪的短T1和中长T2弛豫时间决定,当骨损伤或挫伤时,造成骨髓的水肿、充血改变,具有明显的长T1、长T2信号,常规的SE序列T1WI、T2WI扫描均可良好地显示骨损伤,能明确显示骨折部位、骨折深度、骨折片大小、移位情况及其游离部位和各断端之间的病变情况。在T1WI上呈形态各异的地图样非线性的低信号,在T2WI上呈高信号,与周围软组织形成明显的信号差别。大部分骨挫伤发生于胫骨平台后缘[9],常合并其他结构损伤,其中以前交叉韧带撕裂最常见(约100%),其次为内侧半月板后角(约62%)[10],同时骨挫伤也是引起膝关节疼痛的来源之一。膝关节的股骨髁、胫骨髁及髌骨的表面均有一层关节软骨覆盖,关节软骨在组织学中属于透明软骨,其基质中主要成分为Ⅱ型胶原纤维、蛋白多糖的网状结构及水,几乎所有的膝关节损伤都会造成不同程度的关节软骨损害,其中软骨裂伤最常见,病理学为软骨表浅的缺损,较长时间见局部软骨纤维化或瘢痕软骨修复,MRI表现为局部的软骨变薄或缺如,T1WI、FGE序列T1WI或长TR、长TE图像上显示软骨层内有局限性的高信号影,而软骨下骨及骨髓可见水肿。

  2.2  膝关节半月板损伤的MRI表现及病理学特点  膝关节半月板裂伤最常见,是导致膝关节疼痛及功能失常的主要原因,这类损伤会使半月板在MRI中呈现形状与体积的变化,或在其中出现异常信号影。正常半月板由纤维软骨性组织构成,只有微量游离氢质子,在任何脉冲序列中均表现为低信号。当半月板出现退变或撕裂时,关节腔内滑液经半月板关节面渗入退变或撕裂的半月板缺口,进入半月板,使水分子局限于分界面区域,增加了该区域的质子浓度,在各种脉冲序列中表现为高信号。MRI上半月板内异常信号分4型。Ⅰ型信号呈球状或不规则点状,未伸展到关节表面的高信号影,它在病理学中属于早期软骨细胞的丢失及黏液样变性,这种信号在临床上可无任何症状,只代表半月板退变。Ⅱ型信号呈水平线样,未伸展到关节表面,但可延伸至半月板关节囊连接处的高信号影,病理学改变为明显的黏液样变性,多提示半月板退变加重。Ⅲ型信号为伸展到半月板关节面的异常高信号影,这是真正的半月板撕裂的表现,根据高信号形态不同,又可分3个亚型,(1)Ⅲa型:线样高信号到达关节表面;(2)Ⅲb型:不规则的高信号到达关节表面,通常在多个连续的MRI层面上看到Ⅲ级信号改变,并伴有半月板形态改变;(3)Ⅲc型:半月板呈弥漫性高信号,低信号的关节面消失变得模糊不清,高信号区累及到关节面。Ⅳ型信号半月板形状改变显著,其中也会出现碎块。Ⅰ型及Ⅱ型信号都属于半月板内部异常,利用关节镜观察无阳性发现,但在软骨基质的多细胞区城内,显微镜下可看到裂隙和胶原碎片。在病理学上,所有的Ⅲ级信号,都可看到半月板的分离或撕裂。实践表明,MRI对诊断半月板损伤具有很高的价值,是目前诊断半月板损伤的最佳影像技术。MRI信号表现为Ⅰ级、Ⅱ级时在关节镜检查时可为正常,所以MRI诊断半月板早期退变有很重要的价值,而关节镜检查为最终确诊半月板损伤提供了清晰的镜像和依据,MRI与关节镜结合起来两者相互补充能产生良好的诊断和治疗效果,是骨科和影像学诊断、治疗半月板损伤的发展方向[11~13]。

  盘状半月板是半月板损伤常见原因之一,正常半月板体部横径通常为11~12mm,若体部横径增加超过正常横径的一半或矢状位上连续3层显示半月板前后角相连,即可诊断为盘状半月板。盘状半月板可以是先天变异,也可由外伤引起,外侧较内侧多见且发生率高,半月板越宽越易损伤,其原因在于盘状半月板结构不如正常半月板坚韧,而且面积大,活动受限,不能充分适应膝关节活动,易撕裂。国外文献报道盘状半月板伴撕裂[14]的发生率为38%~88%,国内报道的发生率较高,达到92.3%[15]和100%[16]。盘状半月板的宽度增宽、增大、增厚,MRI主要表现为:(1)矢状位,以5mm层厚扫描,有3层或3个以上层面显示半月板前、后角相连,呈蝴蝶结样改变。(2)在矢状面图像上半月板后角增厚明显,形成尖端朝前的楔形。(3)冠状面,半月板体部的中间层面即半月板体部最窄处的宽度>15mm,约占整个胫骨平台宽度的20%以上。(4)盘状半月板外侧缘的高度高于对侧2mm以上。(5)半月板内侧出现Ⅱ级或Ⅲ级信号。(6)易发生撕裂和囊变。冠状位半月板的宽度>15mm最为可靠[17]。也有人认为典型MRI表现为半月板弥漫性增厚呈板状伴有和关节面相接触或不相接触的信号增高影[18]。矢、冠状位对于盘状半月板诊断的准确率较高,主要的诊断难点是需与半月板的桶状撕裂相鉴别。

  2.3  膝关节韧带损伤的MRI表现及病理学特点  常见的膝关节损伤中,交叉韧带损伤和膝关节周围韧带的损伤占相当高的比例。膝关节韧带的损伤往往是韧带、半月板、关节囊等结构复杂损伤的一部分。因此,正确评价膝关节韧带损伤,对临床诊断、治疗非常重要。

  2.3.1  交叉韧带撕裂  分3度:Ⅰ度限于极少量韧带纤维的撕裂,伴有局部疼痛,无不稳定;Ⅱ度为较多的韧带纤维断裂,伴有部分功能丧失和较大的关节反应;Ⅲ度为韧带纤维的完全断裂或起止部撕脱,伴有明显的关节不稳。所有正常膝关节韧带在各种MRI序列中均表现为低信号,前交叉韧带(anterior cruciate ligment,ACL)是膝关节中最易损伤的韧带之一,可分为完全撕裂和部分撕裂,多发生于韧带中段,约占75%,而且70%~90%是完全性的,近端和远端的撕裂分别约占20%和5%[19]。前交叉韧带完全撕裂的直接征象有:(1)韧带中断不连续;(2)韧带增粗呈肿块状,边缘不规则或呈波浪状;(3)韧带内出现局限性或弥漫性高信号;(4)韧带走行及轮廓异常。间接征象有:后交叉韧带(posterior cruciate ligment,PCL)过度后凸、异常的后交叉韧带线和后股骨线、胫骨前移半脱位以及胫骨后外侧平台骨挫伤、韧带附着处撕脱骨折[9]。与完全性撕裂相比,诊断部分性ACL撕裂较困难。部分撕裂的ACL在MRI上表现为韧带内局灶性异常信号,而形态正常,部分纤维弯曲或呈波浪状。MRI诊断ACL部分性撕裂的敏感性和特异性分别为55%及75%[20],明显低于完全性撕裂。而PCL较ACL粗大,其损伤远较其他韧带少见[21],PCL撕裂最好发于远端股骨附着处,韧带中段和股骨附着处撕裂的概率相近。PCL完全性撕裂的征象与ACL相似,包括PCL正常结构消失,韧带局部中断、增粗以及信号异常。部分撕裂在MRI上表现为部分纤维中断、形态轮廓的改变及局部信号异常[22,23]。

  2.3.2  内侧副韧带(medial collateral ligment,MCL)及外侧副韧带(lateral collateral ligment,LCL)损伤  观察MCL与LCL较好的层面为冠状面和横断面,较好的成像序列是脂肪抑制的T2WI。MCL及LCL损伤在MRI上可分3级,Ⅰ级:侧副韧带形态未见改变,在冠状面成像上为平行与骨皮质的带状低信号影,与邻近的脂肪分界清楚,仅出现皮下的平行于浅层侧副韧带的高信号水肿和出血灶;Ⅱ级:侧副韧带少部分纤维撕裂,T1WI和T2WI显示韧带内有不规则高信号灶,韧带纤维从相邻软骨移位,不再平行于骨皮质,水肿和出血使韧带和周围脂肪分界不清,Ⅲ级:侧副韧带撕裂、断裂和出血,表现为韧带增粗,连续性中断或缩短,T1WI和T2WI上呈弥漫性高信号,失去正常形态。Ⅰ级损伤为扭伤,主要是皮下脂肪层内出血水肿,Ⅱ级损伤主要为韧带部分中断、信号增高或MCL、LCL、滑囊积液;Ⅲ级损伤主要为韧带的完全性中断。MCL撕裂最多见于股骨侧(65%),其次为胫骨侧(25%),而在关节平面较少见(10%)[19,20,24]。内侧副韧带因为相对薄弱损伤常见,而外侧副韧带损伤相对较少见。

  2.4  其他合并损伤的MRI表现及病理学特点  MR对滑膜水肿、出血及增厚等病变显示较为清楚,可对关节囊及关节腔内异常液体成分清楚显示并进行分析,对膑前滑囊、腘窝囊中及膝关节周围、肌腱韧带间小滑囊等部位的病变如积液、水肿、血肿等能清晰显示,关节囊损伤病理为关节囊肿胀,关节腔积液、积血,关节囊内游离体,翼状襞损伤、破裂等,MRI主要表现为关节囊肿胀、变形,关节腔积液、积血等,对于关节囊的撕裂,MRI诊断仍存在一定限度,有待于进一步的观察研究。关节囊内游离体的诊断主要依赖于关节内片、块状异常信号的可移动性,应注意与滑膜襞的鉴别。多序列、多方位的综合观察,有利于鉴别诊断及确诊。关于周围软组织损伤表现为关节周围软组织的异常水肿、血肿信号,正常组织层次结构的模糊不清等;主要应与血管搏动伪影以及移动伪影等进行鉴别。

  3  MRI对膝关节损伤等病变应用的发展前景

  综上所述,应用MRI各种序列对膝关节损伤的检查,不仅能够反映病变的组织学及病理学变化,而且可以准确地判断病变的损伤程度,可减少关节镜的使用,特别是对不需手术的患者意义较大,MRI诊断内、外侧半月板变性的特异性高,对韧带及神经损伤的检出率也非常高,能够以多方位、多参数成像客观地显示膝关节损伤程度,帮助外科医生及时获取准确信息并能及时制定正确的治疗方案,以取得最佳治疗效果,在临床上发挥越来越重要的作用。另外,磁共振成像在膝关节其他各种疾病中也显示出极大的诊断价值,目前在显示关节软骨的损伤和修复、软骨细胞移植后的成像以及生长软骨病变的MRI诊断方面尚研究不深,显微MRI成像研究、新的具有良好分辨力和信噪比的成像序列及影像分析软件的设计应是未来的研究方向,最新的磁共振成像技术如扩散加权成像、灌注成像及磁共振波谱技术在膝关节疾病中的应用研究将逐渐增多,必将会进一步扩展磁共振在膝关节病变中的应用。

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  (编辑:商  洁)

  作者单位: 271000 山东泰安,泰山医学院放射学院

        255204 山东淄博,源泉中心医院

        271000 山东泰安,泰山医学院附属医院

 

作者: 马周鹏,周翠玉(综述),朱建忠(审校) 2006-9-3
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