DTI在正常成人髕骨軟骨的初步應用及臨床意義

趙丹丹，李紅*，秦灝，張永學，李娜，劉玥

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DTI在正常成人髕骨軟骨的初步應用及臨床意義

趙丹丹1，李紅1*，秦灝2，張永學1，李娜1，劉玥1

［摘要］目的 探討擴散張量成像技術（diffusion tensor imaging， DTI）在正常成人髕骨軟骨的初步應用并探討其臨床意義。材料與方法 采用Philips Achieva 3.0 T超導型MR掃描儀對114例健康成年志愿者的右膝關節髕骨軟骨進行三維雙回波穩態序列（3D dual-echo steady state， 3D-DESS）及DTI掃描，獲得不同圖像后測量表觀彌散系數（apparent diffusion coefficient， ADC）、各向異性分數（fractional anisotropy， FA）值。結果 隨著年齡的增長，髕骨軟骨的FA值逐漸下降，而ADC值逐漸增加（P＜0.05）。相關性分析表明，年齡與FA值呈負相關（r=-0.8321，P=0.027＜0.05），年齡與ADC值呈正相關性（r=0.698，P=0.015＜0.05）。結論DTI可探查髕骨軟骨成分及膠原纖維結構的細微變化，且重復性及準確性良好，可為髕骨軟骨病變早期診斷、監測病情進展及評價治療效果提供一種重要的方法。

［關鍵詞］磁共振成像；擴散張量成像技術；髕骨；關節軟骨

作者單位：1. 三峽大學仁和醫院放射科，宜昌443001 2. 宜昌市中心醫院放射科，宜昌443003

接受日期：2016-01-04

趙丹丹， 李紅， 秦灝， 等. DTI在正常成人髕骨軟骨的初步應用及臨床意義.磁共振成像， 2016， 7（2）:131–135

2Department of Radiology， Yichang central hospital， Yichang 443003， China

*Correspondence to: Li H， E-mail: 10488850@qq.com

Received 7 Dec 2015， Accepted 4 Jan 2016

ACKNOWLEDGMENTS This work was part of 2012 annual talent research fund project of China Three Gorges University （No. KJ2012A015）

隨著我國人口老齡化，膝關節骨性關節炎（osteoarthrisis， OA）日益常見。OA發展到中晚期，常常表現軟骨剝脫，軟骨下骨裸露，進而造成關節強直，是一種不可逆的病理生理過程，臨床治療效果差，因此，OA早期診斷是臨床關注的重點及難點。X線平片被廣泛用于OA的分級，但X線和CT均不能直接顯示關節軟骨的形態。MRI則是目前公認的評價關節軟骨的首選影像學檢查方法，但MRI常規技術偏重于探查形態學的改變，難以反映出早期骨性關節炎的病理變化，因此在觀察早期軟骨退變仍顯不足［1］。磁共振擴散張量成像技術（diffusion tensor imaging， DTI）是在擴散加權成像（diffusion weighted imaging， DWI）基礎上發展起來的MRI功能成像新技術，利用多種參數和數據處理，從量和方向上反映成像體素內擴散的變化，可以定向定量地評價組織彌散各向異性［2］。目前國內外很少有關髕骨軟骨的DTI研究報道，本研究選擇正常成人健康志愿者的髕骨進行DTI研究分析，初步建立正常的參數表，為髕骨的臨床研究奠定基礎。

1　材料與方法

1.1一般資料

隨機選取2013年2月至2015年2月在三峽大學仁和醫院行健康體檢的成年志愿者114例，其中男性63例，女性51例，年齡21～57歲，平均（42.3±10.4）歲。按年齡段分為20～29歲（30例）、30～39歲（27例）、40～49歲（33例）、50歲以上（24例）共4組；所有患者檢查前均靜坐半小時，排除運動對測量結果的影響。

納入標準：（1）膝關節無外傷及疾病史；（2）體格檢查并無膝關節發育畸形；（3）常規MRI成像序列下［T1WI、T2WI 及三維雙回波穩態序列（3D dual-echo steady state， 3D-DESS）等］，未見膝關節其它病變者，如膝關節腫瘤、類風濕、缺血性骨壞死、滑膜病變等；（4）所有研究對象均知情并簽署知情同意書。

排除標準：（1）病例經臨床表現、實驗室檢查及影像學表現診斷為骨性關節炎者，診斷標準為WOMAC骨關節炎指數評分［3］；（2）患者有MRI檢查禁忌。

1.2儀器與方法

采用荷蘭Philips公司生產的Achieva 3.0 T超導型MR掃描儀。采用膝關節表面線圈，患者取仰臥位，膝關節微屈15℃～20℃，受檢膝關節置于磁場中心，不受檢膝關節盡量遠離受檢部位。注意固定受檢膝關節，避免運動偽影；MRI掃描中心線髕骨下緣，行3D-DESS及DTI掃描。DTI序列采用梯度回波序列；D E S S序列掃描參數為：TR=14.1 ms，TE=5.0 ms，層厚=3 mm，層間距=0.6 mm，FOV=180 mm，平面內分辨率= 0.8 mm×0.7 mm，帶寬=250 Hz/Px，激發角度=25°；DTI掃描參數：TR=5100 ms，TE=51 ms，層厚=3.0 mm，層間距=0 mm，NEX=8，FOV= 180 mm，平面內分辨率=1.6 mm×1.6 mm× 3.0 mm，擴散敏感梯度方向=6個，b值=0、600 s/mm2，帶寬=1488 Hz/Px，掃描時間15 min 23 s。

圖像后處理：將掃描后的圖像信息傳至Philips工作站對圖像進行初步處理，以3DDESS為解剖圖，融合DTI圖像，圖像融合時注意采用手動配對，盡量減少圖像配對誤差。以髕骨中心層面為基準層面，以髕骨脊為中心，分別向內外兩個方向間隔0.5 mm，共勾劃6個軟骨感興趣區（region of interest， ROI）；由軟件計算給出相應的各向異性分數（fractional anisotropy， FA）值及表觀彌散系數（apparent diffusion coefficient， ADC）；若AW4.2工作站圖像配對較差時，將配對較差的圖像導入Matlab 7.1 應用軟件進行校準配對，并測量相應的FA值及ADC值。應用同樣方法分別測量并記錄髕骨下1/2及上1/2中心層面的髕軟骨FA及ADC值。

1.3統計學方法

應用SPSS 18.0統計軟件包統計數據，計量資料以均數 ± 標準差（±s）表示。在資料滿足正態性和方差齊性條件下，組間比較采用單因素One-Way ANOVA方差分析，兩組間比較采用LSD-t檢驗，成組設計定量資料采用t檢驗；如不滿足正態性和方差齊性，組間比較則采用Kruskal-wallis秩和檢驗，成組設計定量資料采用Wilcoxon秩和檢驗。應用Pearson等級相關進行相關分析，α=0.05為檢驗水準，以P＜0.05為統計學有顯著性差異。

2　結果

2.1不同年齡組髕骨軟骨總體FA及ADC值

髕骨軟骨總體FA及ADC測量結果見表1，具體測量圖像見圖1。統計學結果表明，該定量資料均滿足正態性和方差齊性（FFA=45.68，P=0.017＜0.05；FADC=25.59，P=0.024＜0.05），各年齡組間FA及ADC值差異均有統計學意義（P＜0.05）。隨著年齡的增長，不同年齡組FA值明顯下降，而ADC值逐漸升高（P＜0.05）。

2.2不同性別髕骨軟骨總體FA及ADC值

統計分析表明，該定量資料均滿足正態性和方差齊性（FFA=52.84，P=0.029＜0.05；FADC=23.42，P=0.033＜0.05），不同性別間FA及ADC值差異均無統計學意義（P＞0.05），見表2。

2.3年齡與FA及ADC值的相關性

相關性分析表明，年齡與FA值呈負相關（r=–0.8321，P=0.027＜0.05），年齡與ADC值呈正相關性（r=0.698，P=0.015＜0.05）。

圖1　男，23歲志愿者。A：3D-DESS圖像， 髕軟骨清晰顯示，軟骨形態完整，未見形態及信號異常；B：FA偽彩圖；C：ADC偽彩圖；D：FA及ADC測量值Fig. 1 A 23 year-old male volunteer. A: As 3D-DESS shows， patella cartilage is morphological integrity and clear， the morphological and signal is normal； B: Pseudocolor images of FA； C: Pseudocolor images of ADC； D: The volunteer’s FA and ADC values.

表1　各年齡組間髕骨軟骨總體FA及ADC值的比較（±s）Tab. 1 Comparison of FA and ADC mean values of the patella cartilage between age groups（±s）

表1　各年齡組間髕骨軟骨總體FA及ADC值的比較（±s）Tab. 1 Comparison of FA and ADC mean values of the patella cartilage between age groups（±s）

Note: vs the 20– group，#P＜0.05； vs the 30– group，▲P＜0.05； vs the 40– group，★P＜0.05.

Age（year）　Cases（n）　FA value（ms）　ADC value （×10-3mm2/s）20–　30　0.309±0.10　1.429±0.13 30–　27　0.233±0.06#　1.805±0.21#40–　33　0.150±0.02#　1.916±0.72#▲＞50　24　0.102±0.04#▲★　1.942±0.45#▲

3　討論

3.1DTI的原理及臨床應用

DTI的原理是利用受激發的原子核在非均勻磁場中擴散導致失相位帶來的信號丟失效應，并施加多個方向的敏感梯度場，測量不同方向上信號的衰減量，并對水分子擴散特征進行量化，可全面反映軟骨的細微變化［4-5］。ADC值用于描述不同方向的分子擴散運動的速度和范圍，ADC值越大，說明水分子的擴散能力越強；ADC值越小，說明水分子的擴散能力越弱，而部分FA則表示水分子各向異性成分占整個擴散張量的百分比，范圍為0～1，FA的值越大，表示擴散的各向異性越強［6］。

表2　不同性別髕骨軟骨總體FA及ADC值的比較（±s）Tab. 2Comparisons of FA and ADC mean values of the patella cartilage in different sex groups （±s）

表2　不同性別髕骨軟骨總體FA及ADC值的比較（±s）Tab. 2Comparisons of FA and ADC mean values of the patella cartilage in different sex groups （±s）

Sex　 Cases（n）FA value（ms）　ADC value （×10–3mm2/s）Female　 51　 0.211±0.03　1.762±0.16 Male　 63　 0.228±0.05　1.696±0.28

目前，應用于膝關節軟骨成像的技術還有：常規MRI方法（包括T1WI、T2WI）、三維快速擾相梯度回波序列（3D-spoiIed gradient recalled acquisition in steady-state， 3D-SPGR）、三維雙回波穩態序列（3D dual-echo steady state， 3D-DESS）、T2弛豫時間圖（T2relaxation time mapping， T2mapping）、T1ρ成像（T1ρimaging）等技術。其中常規MRI方法、3D-SPGR及3D-DESS能較好顯示關節軟骨，與關節鏡結果具有良好一致性［7-8］，但是上述序列偏重于探查軟骨形態學的改變，難以反映出早期骨性關節炎的病理變化［9］。關節軟骨是由軟骨細胞和細胞外基質構成，細胞外基質主要包括水、蛋白多糖（proteoglycan， PG）及膠原纖維，膠原纖維絕大部分是由Ⅱ型膠原構成［10］。T2mapping主要用于檢測細胞外基質單位體積內PG的含量，對軟骨纖維結構依賴較少［11］；T1ρ imaging則著重探查關節軟骨膠原纖維結構變化［12］。膝關節軟骨損傷往往同時伴有軟骨結構及軟骨成分變化，因此上述單一技術均難以準確、全面反映膝關節軟骨早期損傷。從DWI技術中發展起來的DTI技術可獲得FA值，可觀察到透明軟骨膠原細微結構的變化，對早期軟骨損傷均有較高的特異性及敏感性［13］。關節軟骨在MR分層的重要原因是水分子各向異性彌散導致的“魔角效應”，而DTI技術是對水分子各向異性彌散的量化技術，因此沒有“魔角效應”。研究發現［5］，DTI測定的本征向量對層次結構分辨及纖維走形的判斷與電鏡具有高度的一致性，ADC從表層到深層逐漸下降，而FA在深層最高，中間層最低，表層較高。Raya JG等［13］以7 T MR-DTI技術檢查10例OA患者及16例健康成人，結果顯示兩組平均ADC值和FA值均有顯著差異，表明了DTI活體髕骨成像的可行性及良好的可重復性。侯進［14］應用3.0 T MR-DTI技術測量正常人、不同級別的OA患者膝關節軟骨的FA及ADC值，發現不同分級標準病變組軟骨FA及ADC值均存在明顯統計學意義，DTI可定量檢測膝關節軟骨不同層次及病變程度的差異，是檢測早期OA的有效方法。目前國內外有關髕骨軟骨的DTI研究報道極少，應用DTI技術對正常成人髕骨進行研究分析，建立正常的參數表具有重要的臨床參考價值。

3.2DTI對正常成人髕骨軟骨的測量

本研究結果顯示，隨著年齡的增長，髕骨軟骨的FA值逐漸下降，而ADC值逐漸增加；相關性分析表明，年齡與FA值呈負相關，與ADC值呈正相關。生理狀態下，髕骨軟骨細胞外基質可限制一定水分子的自由擴散，但是隨著年齡的增長，關節軟骨面逐漸出現磨損、軟化和變薄，因為基質中的PG大小與聚集下降、膠原蛋白的降解及軟骨內水分的大量增加導致水分子的自由擴散限制下降，水分子的擴散加速，因此表現為ADC值逐漸增加［15］。

FA值反映膠原纖維結構排列的一致性和完整性，組織結構排列越規律，水分子擴散各向異性越強，FA值越高。相關研究表明［16］，PG在空間任何方向的彌散情況趨于一致，它的空間彌散主要取決于單位體積軟骨內PG分子數量，而不依賴膠原纖維網絡；在細胞外基質中，水分子的彌散更容易沿著膠原纖維構成的網絡結構擴散，其它細胞外小分子（包括的彌散方式也與水分子運動趨于一致，并不依賴于小分子本身的特質［17］。隨著年齡的增長，膠原分子通過非酶性糖基化反應膠原交聯增加，同時軟骨細胞合成PGs的能力下降，基質中膠原纖維直徑逐漸增大，增大的膠原纖維缺乏柔韌性，硬度增高［17］。由于關節軟骨膠原網結構的紊亂，膠原纖維走向出現異常，減弱了對PG的限制，降低了對水各向異性限制，因此FA值出現進行性下降。

綜上所述，DTI顯示髕骨軟骨有如下優點：空間分別率高，可探查軟骨成分及膠原纖維結構的細微變化，且重復性及準確性良好，同時DTI也為髕骨軟骨病變早期診斷、監測病情進展及評價治療效果提供了一種重要的參考方法和嶄新的窗口，具有巨大的應用價值和應用前景。在本研究中也存在著不足之處，如研究樣本量相對較少，這需要繼續擴大樣本量深入研究，以得出更準確的數據。參考文獻 ［References］

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Initial application and clinical significance of DTI in normal adult patella cartilage

ZHAO Dan-dan1， LI Hong1*， QIN Hao2， ZHANG Yong-xue1， LI Na1， LIU Yue11Department of Radiology， Renhe hospital of three gorges university， Yichang 443001，China

Key wordsMagnetic resonance imaging； Diffusion tensor imaging； Patella；Articular cartilage

AbstractObjective: To study the initial application of diffusion tensor imaging （DTI） in normal adult patella cartilage and discuss its clinical significance. Materials and Methods: One hundred and fourteen healthy normal adult volunteers were underwent MRI with 3.0 T MR system （Achieva 3.0 T， Philips）， the right patella cartilage was scanned by 3D-DESS and DTI. Different images were obtained， while the ADC and FA values of patella cartilage were measured. Results: The values of ADC were gradually decreased with age， but the ADC values were increased obviously （P＜0.05）. Statistically significant negative correlations were observed between FA value and age （r=-0.8321， P=0.027＜0.05）， and positive correlations were observed between ADC value and age （r=0.698， P=0.015＜0.05）. Conclusion: DTI can reflect the imperceptible changes in patella cartilage composition and the collagen fiber structure. DTI can be used for detecting early diagnosis， monitoring progression and evaluating prognosis in patella cartilage disease for its good repeatability and accuracy.

基金項目：三峽大學2012年度人才科研啟動基金項目（編號：KJ2012A015）

通訊作者：李紅，E-mail：10488850@qq.com

收稿日期：2015-12-07

中圖分類號：R445.2；R684.3

文獻標識碼：A

DOI:10.12015/issn.1674-8034.2016.02.009