骨關節炎軟骨早期 MRI 信號異常與軟骨形態學缺損的相關性

古麗尼尕爾·吾斯曼 黃志蘭 伊力亞·阿洪江 迪里木拉提·巴吾冬

骨關節炎(osteoarthritis，OA) 是關節組織破壞，關節功能丟失，主要以關節軟骨磨損和破壞，軟骨下骨增厚硬化，不同程度的滑膜炎并骨贅形成以及關節囊增厚為特點的多因素關節疾病，膝關節作為最大的負重關節之一，壓力增大或負重過大，關節軟組織脆弱再加上關節解剖結構不協調是 OA 的主要誘發因素。MRI 可反映軟骨基質生化成分的改變，關節鏡不能檢出 MRI 分級中 1 級病變，尤其軟骨表面光滑無形態學改變而內部出現信號異常者。膝關節軟骨信號異常的演變很少進行縱向分析，信號異常對關節退變進展速度和影響尚不清楚。

材料與方法

一、納入標準與排除標準

1. 納入標準：( 1) 2017 年 3 月至 2018 年 3 月，在我院經治的 OA 患者；( 2) MRI 圖像、臨床資料保存完整者；( 3) 關節鏡并 MRI 檢查明確軟骨形態缺損者；( 4) 無其它關節病變者；( 5) 年齡 50～ 60 歲者；( 6) KL 分級為 0 級者；( 8) 健康對照者來自體檢中心健康人群，平均年齡(54±5) 歲。

2. 排除標準：( 1) 既往無關節骨折、炎性關節炎、關節腫瘤病史和手術史者；( 2) 關節鏡發現其它合并病變，如關節積液、滑膜炎、撕脫骨折者；(3) 檢測有軟骨病者；( 4) 圖像質量不合格者。

二、影像資料分析

記錄病例組與對照組各項基線資料，包括(性別，年齡，BMI 指數)，觀察并評估 MRI 成像序列對軟骨的顯示情況，請 2 名高年資影像科醫師對關節軟骨進行雙盲讀片。

三、膝關節軟骨厚度測量及分區方法

軟骨信號異常劃分 有信號異常和無信號異常。軟骨信號異常根據其信號特征進一步劃分無異常，低信號，不均勻信號，高信號。

脛骨內 / 外側髁，股骨內 / 外側髁，測量病例組患者 1 年～1 年半前及現在的兩次軟骨厚度，用 FLASH-FS-T1WI 分別選取脛骨內、外髁正中矢狀面圖像作為測量層面，測量層面放大 2 倍，每個膝關節選取 4 個測量點，測量軟骨厚度規定為關節面軟骨最厚處，總 8 個測量點。骨髓水腫 WORMS 評分 (0 級無 BMEP；1 級 BMEP 直徑 < 5 mm；2 級 BMEP 直徑 5～20 mm，3 級 BMEP 直徑 > 20 mm)。

四、所用儀器設備

德國西門子 Magnetom Verio Tim 3.0T 超導磁共振儀及膝關節專用線圈。掃描參數：以自旋回波序列(SE 序列) 實施 MRI 掃描，掃描參數：T1WI：TR 500 ms，TE 10.1 ms；T2WI：TR 3600 ms，TE 102 ms。SE-T1WI TR / TE = 450 / 12 ms，掃描野 13 cm，層厚 2.5 mm，層間距 0.5 mm，行常規矢狀位、冠狀位掃描加脂肪抑制圖像。

五、統計學處理

采用 SPSS 23.0 統計軟件，比較實驗組與對照組的軟骨信號異常情況，軟骨信號按無信號、有信號異常分類進行比較；采用 Pearson χ2檢驗；軟骨形態損傷與信號異常的關系采用 Pearson χ2檢驗，P < 0.01 為差異有統計學意義；信號分布區域與軟骨形態缺損部位一致性檢驗；軟骨形態缺損與骨髓水腫的關系采用 Wilcox 秩和檢驗；實驗組和對照組軟骨厚度前后對比先進行 1 年前減去現在的厚度，得到的差值做為新變量，進行檢驗，正態性檢驗結果為非正態資料，采用 K-S 檢驗；軟骨信號異常與軟骨前后厚度進行 Spearman 相關性分析。

結 果

一、基本資料

本研究病例組納入 80 例，男 47 例，女 33 例；對照組納入 40 例，男 15 例，女 25 例。病例組與對照組之間基線資料進行對比，差異無統計學意義。本研究顯示年齡和性別與軟骨早期信號異常及骨髓水腫分級沒有統計學相關性。BMI 方面多項研究顯示與骨髓水腫分級有關，但沒有統計學相關性。

二、一般結果

實驗組出現信號異常的概率大于對照組(表 1)， 軟骨厚度前后對比，( P < 0.01) 軟骨前后厚度有差異，1 年前的厚度大于現在的厚度。

表1 實驗組與對照組信號表現情況Tab.1 Signal abnormality and intensity in experimental group and control group

三、軟骨早期信號異常與軟骨形態學缺損相關性(表 2)

表2 實驗組與對照組信號特征與軟骨形態缺損的相關性(計數)Tab.2 Signal abnormality and cartilage morphologic defect in experimental and control group(n)

采用 Pearson χ2檢驗。χ2= 18.523，( P < 0.01) 實驗組多數病例出現軟骨信號異常，其缺損部位 (圖 1a) 主要表現為低信號(圖 1b)，與關節鏡顯示結果符合(圖 1c)。實驗組出現骨髓水腫的概率大于對照組(表 3)，軟骨形態缺損與骨髓水腫的關系采用 Wilcox 秩和檢驗，χ2= 19.991，P < 0.01，軟骨損傷與骨髓水腫及水腫級別有關，然后采用 Bonferroni 法校正顯著性水平兩兩比較(圖 2)，發現水腫二級與無水腫差異有統計學意義，即骨髓二級水腫比無骨髓水腫者更易導致軟骨損傷。

圖2 校正顯著性水平兩兩比較無骨髓水腫與 2 級骨髓水腫差異有統計學意義Fig.2 Significant statistical differences between BME 0 and 2

表3 實驗組與對照組骨髓水腫測量結果 Tab.3 BME in experimental and control group

圖1 患者，女，45 歲 a：右膝關節矢狀位中等加權脂肪飽和二維快速自旋回波圖像圖 - 脛骨外側髁軟骨全層缺失；b：回顧同一部位脛骨外側髁軟骨發現異常低信號；c：關節鏡下顯示負重面軟骨缺損Fig.1 Female, 45 years old a: Sagittal intermediate-weighted fat-saturated two-dimensional fast spin-echo MR images of the right knee, Development of a full-thickness defect in the lateral tibia; b: Inhomogeneous signals in the same site; c: Arthroscope showed cartilage defect in the same site

四、軟骨信號異常與軟骨前后厚度進行 Spearman 相關性

結果顯示軟骨信號與脛骨內外側髁前后厚度的相關系數分別為(r= -0.576，r= -0.557，P< 0.01)， 說明軟骨信號與脛骨內外側髁前后厚度呈負相關，相關程度中等。

討 論

OA 是關節組織破壞，主要以關節軟骨磨損和破壞，關節功能丟失的一類疾病，膝關節作為最大的負重關節之一，壓力增大或負重過大，關節軟組織脆弱再加上關節解剖結構不協調，是 OA 的主要誘發因素，引起功能障礙大大減低生活質量，早預防，早診斷，早治療尤其重要。MRI 以無創傷，無輻射為優勢，能清楚顯示軟骨的細微變化發現早期病變，MRI 組織對比性好，空間分辨率高，序列及參數較多、多方位采樣，能全面顯示軟骨厚度、形態學及信號改變，是目前公認診斷 OA 最可靠的影像學檢查方法[1]。而關節鏡作為有創的檢查方法無法觀察到形態學未發生改變的早期軟骨病變，即軟骨表面光滑內部出現異常信號者。

OA 軟骨基質損傷時軟骨細胞對軟骨損傷的反應為基質中水分增加，OA 軟骨異常的 MRI 表現最早為信號改變，反映了關節軟骨水成分的變化。早期水含量增加，即關節鏡下所見軟骨腫脹，在 T1WI 上信號減低，基質中水分增加，OA 軟骨異常的 MRI 表現最早為信號改變[2]，反映了關節軟骨水成分的變化局部信號增高可以是表層或全層，也可為深層線狀影，這既反映了膠原纖維斷裂和蛋白多糖損失引起的水腫，也與軟骨細胞肥大或增生有關，以后蛋白多糖耗盡，水含量減少，病灶局部纖維化，則在任何序列上表現為低信號。正常關節軟骨分層表現改變，可能為早期 OA 征象，在 OA 的早期，關節軟骨鈣化軟骨層的退行性改變，包括重復起伏進入到基底關節軟骨的非鈣化性關節軟骨，實際上，這些改變只是關節軟骨表面上極輕微的纖維化覆蓋 區[3]。有學者指出軟骨潮線有效的調節軟骨鈣化層和放射層之間的內穩態，軟骨潮線漂移可能為 OA 防治提供一個潛在的有效作用靶點，并是 OA 軟骨退行性變進程中必經的病理變化。

本研究結果提示軟骨信號異常在關節軟骨變性中的重要性，低信號另一種可能代表深層軟骨層中的實際裂縫，似乎代表非常早期的軟骨形態異常，軟骨早期改變水吸收反而增加，而不與滑膜液連接，與軟骨信號與脛骨內外側髁前后厚度負相關符合，水吸收增加，基質也增加，軟骨纖維化軟骨厚度變厚表現為軟骨信號減低，T1WI 上表現為低信號。國外文獻報道低信號和不均勻信號可能與各向異性破壞，纖維軟骨沉淀物有關，軟骨信號分布區域與軟骨缺損部位一致性檢驗，采用 Kappa 一致性檢驗，Kappa 值為 0.761，P < 0.01，認為信號分布區域與軟骨損傷部位存在一致性，故本結果一致性較好。Joseph 等[4]指出起始 MRI 檢查沒有骨髓水腫的病例，1 年后其軟骨退行性變程度將不會加重，而 MR 檢查存在骨髓水腫的病例，1 年后 40% 的患者軟骨退行性變加重了，與本次研究骨髓水腫二級較無骨髓水腫更易導致軟骨損傷較符合，骨髓水腫是由病變組織血管過多、灌注過度、水外滲作用等造成，因關節軟骨內缺乏神經纖維，即使關節軟骨嚴重破壞，只是表現為活動障礙，疼痛沒有那么明顯。陸川等[5]報道骨髓水腫是 OA 患者疼痛的主要原因，疼痛與軟骨下骨髓水腫有關，且存在疼痛越重、骨髓水腫越嚴重的趨勢，骨髓水腫代表受累骨髓中細胞外液的積聚，并能導致骨內壓力的增加刺激痛覺感受器產生疼痛，并且骨髓水腫是另一個診斷 OA 的重要征象，研究發現實驗組出現骨髓水腫概率大于對照組，骨髓水腫 2 級(直徑為 5～20 mm) 與無骨髓水腫差異有統計學意義，骨髓 2 級水腫比無骨髓水腫者更易軟骨損傷，其余分級間差異無統計學意義。

汪睿等[6]，黃競敏等[7]研究半月板損傷與 OA 嚴重程度及治療進展中發現，半月板突出與半月板根部尤其是內測后跟部撕裂密切相關，因軟骨接觸面減少導致應力增加，加速了 KOA 的發展。關節軟骨呈曲面廣泛附著于骨性關節面上，不同部位厚度不同，無固定的解剖位置因此可重復性差，本研究為了要測量的重復性好，病例組掃描體位獲得相同的定位像，以脛股骨內外側髁正中矢狀面為標志，記錄軟骨病變在該層面向內或向外第幾層，提高可重復性。軟骨厚度前后對比發現 1 年前軟骨厚度均大于現在軟骨厚度，通過 Spearman 分析，關節軟骨厚度前后對比結果顯示，脛骨內外側髁關節軟骨厚度的改變較明顯，并且與 MR 信號呈負相關，提示脛骨內外側髁關節軟骨的磨損早于股骨關節面，并早期體現為 MR 信號的異常。隨著時間推移軟骨厚度逐漸變薄，成分改變，信號改變也會發生演變，將來關節軟骨內可能會出現異常高信號，本研究 120 例中有 17 例 T1WI 上出現異常高信號。

MRI 生理成像技術定量監測軟骨病變進程，使 MR 對關節軟骨損傷的診斷更加早期、準確，不同成像方法針對軟骨早期退行變的不同生化成分改變的敏感度、特異度也不同[8-9]，各種生理成像方法臨床應用較少均尚處于研究階段需要大量的臨床及實驗研究數據來證實。高麗香等[10]對膝關節軟骨在 OA 定量成像的 MRI 和 CT 新技術研究進展中有報道 T2mapping 主要關注軟骨膠原網絡，dGEMRIC 重點檢測 GAG 濃度變化，這兩者容易在臨床中實踐，但是 T1rho 或鈉離子成像技術需要其它專用設備和硬件設施或超高場強，關節軟骨的生理 MRI 可以作為對常規 MRI 序列顯示軟骨早期形態改變的補充。3D FFE 序列和微 CT 也有很多優勢，方便于縱向研究，具有高分辨率、3D 成像等，但都存在一定的局限性，其掃描時間較長，耐受性差，因此限制了其可行性及臨床中廣泛推廣[11-12]。

本研究的優勢與不足：本研究將重點放在相對健康人群身上，以確保從其它異常中獲得最小的偏差。國內外文獻報道膝關節退行性改變 MRI 臨床分期中，研究已發生軟骨退行性變及形態學已發生改變的病例，而本研究選取 KL 分級(0～1) 級患者作為實驗組，發現軟骨早期信號異常與軟骨形態學改變顯著相關，本研究預測軟骨出現異常信號部位將來可能會發生軟骨形態學改變從而發展為 OA，指導臨床早發現早診斷早治療。