多模態MR成像技術對膝關節骨性關節炎軟骨損傷的診斷價值

趙雙全，梁久平，彭華榮，宋建勛，吳謙，成官迅

1.深圳市寶安區人民醫院醫學影像科，廣東 深圳 518100；2.深圳市北京大學深圳醫院醫學影像科，廣東 深圳 518306

膝關節骨性關節炎(knee osteoarthritis，KOA)是一種退行性疾病，隨著年齡的增長，發病率及損害性也越來越大，晚期可致關節功能喪失，嚴重影響患者生活質量[1]。近年來年輕人更加注重鍛煉，關節過度負荷導致KOA逐漸年輕化。軟骨結構組成比較特殊，磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是顯示軟骨最有價值的影像學檢查方法[2]。近年來，隨著MRI新序列的開發和應用，對軟骨早期損傷時內部生化物質和形態發生的輕微變化均可間接或直接顯示出來，為早期軟骨損傷的診斷和監測提供了新的方法。本文就膝關節骨性關節炎軟骨損傷常規掃描方法和新技術診斷價值進行比較，以提高大家對膝關節OA軟骨損傷的影像學檢查尤其是MRI檢查新技術的認識和應用。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇2018年1至2018年12月間深圳市寶安區人民醫院關節外科收治的確診為膝關節骨關節炎患者共73例，男性41例，女性32例，年齡21～50歲，平均(38.6±11.3)歲。診斷標準為《骨關節炎診療指南(2018年版)》[3]，所有患者經關節鏡檢查和/或治療確診有軟骨損傷，以及具有研究所需完整MRI檢查資料。關節鏡檢查和/或治療共確診213處軟骨病變，其中Ⅰ級病變62個，Ⅱ級病變51個，Ⅲ級病變58個，Ⅳ級病變42個。所有患者生活均為常態化，均非專業性運動員，沒有高強度運動訓練史及無明確外傷病史，自愿參加本研究，同時簽訂知情同意書。

1.2 影像學檢查 所有患者MRI檢查儀器為德國Siemens3.0TSkyra機型?；颊哐雠P位，采用8通道膝關節專用線圈檢查。先行常規矢狀位T1WI、T2WI和FS-PDWI(PDWI)掃描，然后行矢狀位3D-DESS-WE(DESS)和Mapping(包括T1、T2及T2-Star-Mapping)序列掃描，所有序列均為平掃。掃描參數：3D-DESS-WE序列：TR 14.10 ms，TE 5 ms，帶寬250 Hz，FA 25°；T2 mapping序列：TR 1 600 ms，TE1 13.8 ms，TE2 27.6 ms，TE3 41.4 ms，TE4 55.2 ms；T2-Star-mapping序列：TR 445 ms，TE1 4.36 ms，TE2 11.90 ms，TE3 19.44 ms，TE4 26.98 ms，TE5 34.52 ms；T1 mapping序列：TR 15 ms，TE 3.05 ms，FA1 5°，FA2 26°。

1.3 MR圖像后處理及參數分析 T1-Mapping、T2-Mapping、T2-Star-Mapping圖像由機器掃描序列后自動生成相應序列偽彩圖(Rainbow模式)，然后在德國西門子Syngo Via VB10B后處理工作站上進行觀察和測量。主要觀察關節軟骨形態和軟骨信號色彩改變范圍、以及測量異常色彩累及的程度。關節鏡下軟骨損傷程度分為4級，按照國際軟骨修復協會(International Cartilage Repair Society，ICRS)組織學評分標準進行。MRI軟骨損傷分級按照Recht標準進行診斷。T1-Mapping、T2-Mapping、T2-star-Mapping偽彩圖根據色彩的顏色、色彩層的連續或者中斷程度綜合判定損傷分級。參考Recht分級標準設定參考標準為：Ⅰ級：局灶性軟骨色彩異常，可累及全層，但軟骨表面光滑，無皺褶、凹陷缺損；Ⅱ級：普遍性軟骨色彩異常，信號欠均勻，可累及全層，表面凸凹不平或呈部分缺損，凹陷厚度未超過局部軟骨總厚度的1/2；Ⅲ級：軟骨色彩呈普遍性全層異常改變，信號不均勻，可見軟骨缺損厚度超過局部軟骨厚度的1/2，無軟骨游離，可伴或不伴軟骨下骨質信號異常；Ⅳ級：軟骨色彩彌漫性異常，可見全層性的軟骨缺損改變，伴有軟骨游離和軟骨下骨質信號異常。由兩名經驗豐富的骨骼關節疾病MR診斷方向的副主任醫師在各序列圖像上按照設定標準觀察并記錄，有不確定的損傷分級時，由兩人共同協商確定。

1.4 統計學方法 統計分析采用SPSS19.0軟件。MRI不同序列診斷不同級別軟骨損傷正確率比較采用χ2檢驗，P＜0.05時認為有統計學差異。采用Kappa檢驗評價MRI檢查不同序列對軟骨損傷診斷和關節鏡結果對比的一致性，Kappa值＜0.6，認為一致性較差或一般，0.6～0.8認為一致性較強，＞0.8認為一致性強。

2 結果

2.1 不同MRI檢查序列對軟骨損傷不同分級病變的診斷正確率 以關節鏡檢查或治療為標準，分別比較MRI形態學檢查序列PDWI、DESS和軟骨定量成像檢查序列T1 Mapping、T2 Mapping、T2-starMapping對膝關節軟骨損傷不同級別損傷的診斷價值(表1)，結果顯示：常規序列中，DESS較PDWI對不同級別軟骨損傷的診斷正確率均高(圖1A)，差異具有統計學意義(P＜0.05)。軟骨定量成像技術Mapping序列中，T2-star-Mapping序列對不同級別軟骨損傷的診斷正確率均為最高(圖1B～D)；T2 Mapping和T2-star-Mapping序列對Ⅰ～Ⅲ級損傷的分級正確率明顯高于T1 Mapping(P＜0.05)，T2 Mapping和 T2-star-Mapping序列比較差異無統計學意義(P＞0.05)；對于Ⅳ級軟骨損傷分級正確率，三者之間比較差異無統計學意義(P＞0.05)。MRI檢查序列對軟骨損傷診斷正確率與關節鏡結果比較，Kappa一致性檢驗值3D-DESS-WE序列最高(圖1A)，為0.736，T2-star-Mapping序列位其次，Kappa值為0.663。

圖1 髕軟骨淺表層軟骨彌漫性腫脹

表1 不同MRI序列對軟骨損傷分級正確率(%)

2.2 不同MRI檢查序列對軟骨損傷病變診斷的總體正確率、敏感性和特異性 與關節鏡結果對比，分別比較MRI形態學檢查序列PDWI、3D-DESS-WE和軟骨定量成像功能學檢查序列T1 Mapping、T2 Mapping、T2-star-Mapping對膝關節軟骨損傷的總體診斷正確率、敏感性和特異性(表2)。結果顯示：形態學檢查序列中，DESS較PDWI對膝關節軟骨損傷的總體診斷正確率和特異性均高(P＜0.05)，敏感性差異無統計學意義(P＞0.05)。Mapping定量成像技術中，T2-star-Mapping序列對膝關節軟骨損傷的敏感性、特異性和總體診斷正確率均高于T2 Mapping和T1 Mapping序列(P＞0.05)，T2 Mapping和T2-star-Mapping序列差異無統計學意義(圖2、圖3)。DESS和T2*Mapping技術聯合應用時，膝關節軟骨損傷診斷的敏感性、特異性和總體正確率均有提高，尤其是特異性和總體正確率更為明顯。

表2 不同MRI序列對膝關節軟骨損傷分級的正確率、敏感性及特異性(%)

圖2 股骨滑車區軟骨

圖3 髕軟骨

3 討論

MRI具有較高的軟組織分辨率，能夠直接顯示關節軟骨。MRI常規序列掃描層厚較厚，對軟骨的較小范圍的損傷容易遺漏，而且對早期軟骨輕微損傷改變，MRI信號并不能及時反映出來。三維(3D)序列層厚較薄，而且可以進行多平面重建，觀察軟骨更加全面、仔細、準確。既往研究顯示三維掃描序列對軟骨顯示清楚，對軟骨損傷診斷的敏感度和特異度均要明顯優于常規的T1、T2和壓脂T2序列[4-5]。DESS(雙回波采集)序列采用一種特殊的成像條件，在一個TR間期內同時采集梯度和刺激回波兩種信號，然后再對這兩種信號進行圖像融合和重建，獲得的圖像信噪比高、且T2權重較重。水激勵掃描技術(WE)是一種特殊條件下的成像技術，通過序列設定，僅使某一層面的水成分刺激后產生信號，而層面內的其他質子比如脂肪質子并不受到影響，繼續保持其自身的自旋運動平衡狀態，因而不會產生信號，這樣就使化學位移偽影消除，關節軟骨的顯示更加清晰。三者結合后形成3D-DESS-WE序列，可以更好地勾畫脂肪、關節積液、關節軟骨的邊界，以及增加相互之間的對比度，觀察和判斷軟骨損傷更加明確和精準。骨松質、脂肪在圖像上呈低信號，關節液顯示為明顯高信號，而關節軟骨呈中等或高信號，三者有著十分明顯的對比，診斷關節軟骨損傷病變更加有利[6]。本研究把三者結合起來，通過優化三維成像條件和保證不同物質的信號對比，使掃描時間短至3 min 20 s，同時成像質量明顯提高，對軟骨損傷病變的顯示和診斷更加細致精準。與關節鏡對比，3D-DESS-WE序列對不同級別軟骨損傷的診斷正確率均較PDWI高，Kappa值達到了0.736，而且對軟骨損傷的總體正確率和敏感性、特異性均較PDWI序列高，尤其是總體正確率和特異性優勢十分明顯，敏感性高達93%。

MRI軟骨定量成像技術也叫軟骨生化成像技術，是近幾年發展起來的一種新技術，通過圖像信號變化反映出不同組織的固有弛豫值的變化，從而精確反映出關節軟骨損傷時的內部環境中發生的分子生化改變。關節軟骨早期損傷時，形態學改變并不明顯，主要是軟骨內部生化物質成分和數量的改變。MRI軟骨定量成像技術能夠檢測到這種變化，因此對早期軟骨損傷的檢測更加敏感，為診斷和監測關節早期軟骨損傷提供了很好的參考價值。T1、T2和T2-star-Mapping序列采用多回波成像技術，在一個TR時間內采集多個TE，通過不同時間點TE的變化，計算出組織的T1、T2或T2 star弛豫時間[7-10]。國內學者研究結果顯示T1 Mapping平掃技術能直觀的對早期膝關節OA軟骨病變進行顯示[11]。本研究中，為了避免有創檢查和節約時間，也只是使用了T1 Mapping平掃技術觀察KOA的軟骨損傷，結果發現T1 Mapping顯示軟骨尚可，但是對于早期的Ⅰ～Ⅲ期軟骨損傷的價值要明顯低于T2 Mapping和T2-star-Mapping，很容易誤診為更低級別或者正常軟骨，而且對病變范圍顯示不夠清晰準確。國外學者在膝關節常規掃描后應用T2 Mapping技術進一步研究，發現軟骨病損的檢查敏感性明顯提高，T2 Mapping能發現更多的軟骨軟化、纖維化或者軟骨表層的缺損改變等[12]。本研究顯示T2 Mapping診斷軟骨損傷的正確率、敏感性和特異性均較常規的PDWI序列都要高，與文獻研究相似。T2-star-Mapping是最近幾年興起的新技術，有著不需要對比劑、三維采集、高信噪比、高空間分辨力且快速成像的優點，而且由于T2-star值能夠反映磁場的不均勻性，因此在理論上應該比T2值的敏感度更高[9]。本研究顯示，T2-star-Mapping不論在軟骨損傷診斷正確率方面，還是敏感性、特異性方面，都優于T1 Mapping序列，與關節鏡結果對比，一致性(Kappa值)也最高。說明T2-star-Mapping序列對軟骨損傷的早期時內部含水量及膠原纖維結構的改變更加敏感且準確。雖然與T2 Mapping對比，T2-star-Mapping各項指標沒有明顯的差異，但是考慮到其成像時間較T2 Mapping明顯縮短，因此仍然建議T2-star-Mapping可以作為臨床膝關節OA損傷首選的定量評估手段。

本研究中，當把常規3D-DESS-WE和定量成像技術T2*Mapping結合起來對膝關節OA軟骨病變進行診斷時，發現診斷正確率、敏感性和特異性均可見明顯提升，尤其是特異性可以見到明顯的提高。因此，建議臨床對膝關節OA軟骨進行評估時，可采取兩者相結合方式，以更加準確的對軟骨病變進行診斷和定量。本文因為篇幅受限，并沒有把軟骨損傷時定量值的變化規律歸納進來，期望在以后的研究中進一步完善。