三種MRI生理學定量技術對早期膝關節軟骨損傷的診斷價值

朱 莉，鄒文遠，敖 鋒

(1.錦州醫科大學湖北醫藥學院研究生培養基地，湖北 十堰 442000；2.十堰市人民醫院放射影像中心，湖北 十堰 442000；3.十堰市人民醫院放射影像研究所，湖北 十堰 442000)

膝關節是人體最復雜的關節且具有重要的運動功能，外傷、退行性變、骨關節炎等均可造成膝關節軟骨損傷[1-2]。由于膝關節軟骨缺乏血管、淋巴及神經的營養支持，損傷常不可逆且難以修復，容易伴隨關節疼痛、腫脹甚至關節功能喪失等臨床癥狀，因此早期發現軟骨病變對臨床及時有效地采取保護和治療措施有重要意義[3]。常規MRI檢查序列對軟骨病變診斷能力有限，僅能通過形態改變、關節間隙變化等評估嚴重關節軟骨損傷，對關節軟骨早期損傷診斷困難。新近研究[4]表明，MRI生理學定量成像能夠發現軟骨生化成分的改變，定量評估軟骨損傷程度。本研究以關節鏡診斷為依據，將三種MRI生理學定量技術T1-mapping、T2-mapping、T2*-mapping應用于早期膝關節軟骨損傷患者，評估并比較三者的診斷價值。

1 對象與方法

1.1 研究對象 納入2019年8月至2020年8月于十堰市人民醫院骨關節科行關節鏡手術的患者作為研究對象，所有患者于術前行患側膝關節常規MRI平掃及T1-mapping、T2-mapping、T2*-mapping掃描。將關節鏡下證實膝關節軟骨損傷國際軟骨修復協會(ICRS)標準分級[5]為0級的患者歸入對照組，將1、2級患者歸入早期損傷組。最終納入52例患者，其中早期損傷組32例，對照組20例；男性31例，女性21例。病例納入標準：①因半月板損傷或膝關節炎等原因行關節鏡手術并于術前7 d內行MRI檢查；②年齡18～65歲；③膝關節鏡下軟骨分級為1、2級。排除標準：①有MRI檢查禁忌證及無法耐受長時間MRI檢查；②關節鏡下軟骨分級為3級及以上；③MRI圖像偽影影響評估或圖像質量差者；④關節鏡等資料不全者。

1.2 研究方法

1.2.1 掃描及關節鏡檢查：采用Siemens Skyra 3.0 T磁共振掃描儀，配備8通道膝關節線圈。患者于檢查前休息30 min，取仰臥位，足先進，將受檢膝關節置于膝關節線圈，關節微屈約30°。用固定物固定膝關節，掃描中心點位于髕骨下緣中點處，分別行矢狀位、軸位及冠狀位T2WI脂肪抑制，矢狀位T1WI，矢狀位T1-mapping、T2-mapping及T2*-mapping序列掃描。矢狀位T1-mapping序列掃描參數：TR 15 ms，TE 2.7 ms，層厚3.0 mm，FOV 160 mm×160 mm，FA1 5°，FA2 26°。矢狀位T2-mapping序列掃描參數：TR 1530 ms，TE分別為13.8、27.6、41.4、55.2、69.0 ms，層厚3.0 mm，FOV 160 mm×160 mm，帶寬228 Hz/Px。矢狀位T2*-mapping序列掃描參數：TR 808 ms，TE分別為4.4、11.9、19.4、27.0、34.5 ms，層厚3.0 mm，FOV 160 mm×160 mm，帶寬260 Hz/Px。MRI掃描后1周內采用Stryker 1088iHD成像系統行膝關節鏡檢查，關節鏡下分級標準采用ICRS分級。

1.2.2 圖像后處理：Siemens磁共振掃描后取得T1-mapping、T2-mapping及T2*-mapping偽彩圖及解剖圖，在Siemens Syngo MR E11后處理工作站進行后處理及測量。在工作站處理獲取的mapping偽彩圖由兩位高年資影像科醫生共同行T1、T2及T2*值測量。觀察偽彩圖關節軟骨的色彩信號改變、連續性并與解剖圖對比。將受檢膝關節股骨內、外側髁承重面三等分，放大后分別于每一部分軟骨層面中點處避開積液及骨質，取2 mm2感興趣區(ROI)測量T2值后于相同位置取相同大小ROI測量T2*和T1值，將三處平均值作為股骨內、外側髁T1、T2、T2*值。

2 結 果

2.1 兩組患者MRI檢查結果比較 見表1(圖1-3)。對照組和早期損傷組內側髁及外側髁T1、T2、T2*值比較，差異均有統計學意義(均P<0.05)。對照組MRI mapping偽彩圖多表現為關節軟骨信號連續完整，分布均勻，無明顯色階差異。早期損傷組mapping偽彩圖軟骨色階出現差異，連續性欠佳，可見點片狀異常色階信號影，軟骨面變薄，分層現象消失。

A-C：T1、T2、T2*-mapping偽彩圖；D：關節鏡下可見軟骨表面光滑、無損傷，ICRS分級0級

表1 兩組患者T1、T2、T2*值比較(ms)

2.2 T1、T2、T2*-mapping對早期膝關節軟骨損傷的診斷效能 見表2(圖4)。ROC曲線分析結果顯示，T1、T2、T2*-mapping對早期膝關節軟骨損傷均有較高的診斷效能(均P<0.05)。三種技術的診斷效能由高至低依次為T2*-mapping、T2-mapping、T1-mapping，且T2*-mapping序列的敏感度優于另外兩個序列。

A：矢狀位T1WI序列掃描；B：矢狀位T2WI脂肪抑制序列掃描，股骨內外髁軟骨信號光滑、連續，內側半月板后角撕裂(箭頭)；C：冠狀位T2WI脂肪抑制序列掃描

A-C：股骨內側髁承重面色階不均勻，表面毛糙，見點狀、條狀異常色階信號(箭頭)；D：關節鏡下可見軟骨表面局部撕裂(紅圈)，深度>50%，但未達軟骨下骨，ICRS分級2級

表2 T1、T2、T2*-mapping對早期膝關節軟骨損傷的診斷效能

圖4 T1、T2、T2*-mapping診斷膝關節軟骨損傷ROC曲線

3 討 論

正常人膝關節軟骨呈不同形狀的曲面緊密貼合于骨表面，形態具有差異性，因而常規MRI對早期軟骨輕微損傷診斷不敏感，且常規MRI掃描層厚較厚，容易遺漏微小病變[6]。MRI軟骨生理學定量成像技術是近幾年發展的新技術，可以通過對組織固有弛豫值變化的測量精確反映出關節軟骨內部分子生化物質的成分及含量改變[7]。然而目前對各種生理學定量技術的比較及如何選擇方面的報道仍較少。本研究比較T1-mapping、T2-mapping、T2*-mapping三種檢查方法對早期膝關節軟骨損傷的診斷價值，為MRI掃描方案的選擇提供參考。

T1、T2及T2*-mapping序列均采用多層面多回波SE序列，在一個TR時間內采集多個TE，分別測量MRI信號強度(SI)，計算出組織的T1、T2、T2*弛豫時間[8-9]。關節軟骨是由軟骨細胞和細胞外基質構成的透明軟骨，細胞外基質主要由水、高度組織的膠原蛋白多糖和膠原糖胺聚糖組成[10]。T2-mapping對軟骨內水含量、膠原纖維含量及排列方向變化敏感[11]。研究[12-13]顯示，T1值除受膠原含量影響外，還受蛋白多糖等含量影響。T2*-mapping成像與T2-mapping成像的差異在于，前者使用磁梯度而非180°聚相射頻脈沖，能夠反映磁場的不均勻性[4]。T2*-mapping較T2-mapping的TE更短，可能使T2*-mapping成像對軟骨的膠原蛋白結構更敏感，而非水含量[14]。因而，影響T1、T2、T2*值的主要成分不同，三種序列對軟骨早期損傷的敏感性與特異性也不同。

本研究結果顯示，對照組和早期損傷組內側髁及外側髁T1、T2、T2*值比較，差異均有統計學意義，說明T1-mapping、T2-mapping、T2*-mapping三種檢查方法對早期膝關節軟骨損傷具有一定的診斷價值。因為關節軟骨損傷時水、膠原纖維、蛋白多糖等生化成分發生改變，各成分改變相互作用[15]，三者可從不同方面間接反映出膝關節軟骨變性組織化學成分的改變，加之三者空間分布上的差異也可以互補，因此將三種診斷方法結合可以提高對早期關節軟骨損傷的診斷能力。ROC曲線分析結果表明，三種診斷方法的診斷效能由高至低依次為T2*-mapping、T2-mapping、T1-mapping，T2*-mapping序列的敏感度優于另外兩個序列，且T2*-mapping序列的檢查時間較短，因此筆者推薦T2*-mapping作為早期膝關節軟骨損傷的臨床評估手段。

綜上所述，T1-mapping、T2-mapping、T2*-mapping序列均可不同方面反映早期膝關節軟骨損傷情況，有望成為膝關節軟骨損傷及膝關節骨關節炎早期定量診斷手段，且T2*-mapping序列具有更高的診斷價值。

目前，關于關節軟骨MRI定量成像技術尚不成熟，本研究還存在一定局限性：①本研究僅就股骨內、外側髁進行分析，缺乏對膝關節軟骨其他部位如髕股關節面軟骨、脛骨平臺軟骨等的研究，且樣本量較小，在之后的研究中可以繼續深入完善研究。②缺乏組織病理學結果對比，希望能將關節軟骨的成分改變與T1、T2、T2*值的變化進行比較關聯。