3.0 T磁共振T2*mapping成像分區評估膝關節軟骨的應用價值

陳 靜 王 斌 楊獻峰

關節軟骨對于關節的生物學功能至關重要，關節創傷和退行性改變都可能導致關節軟骨損傷，繼而促進骨關節炎的發展。早期治療損傷的軟骨可以延緩骨關節炎的進展，因此早期發現軟骨損傷并進行定量評估具有重要的臨床意義。目前，磁共振檢查是評價關節軟骨損傷的主要方法，然而，常規磁共振只能提供形態學參數，難于進行定量評價。近年來，隨著磁共振成像技術的發展，出現了幾種MRI定量技術用于早期評估關節軟骨的病理生理改變，如T1ρmapping、T2 mapping等［1］。上述技術各有其優點及缺點，而T2*mapping作為一種新的軟骨生理磁共振成像技術，具有更高的分辨率和更短的掃描時間［2］。本研究通過T2*mapping成像對膝關節的軟骨進行分區測量T2*值，研究T2*mapping成像對膝關節軟骨損傷的診斷價值。

方 法

1.臨床資料

收集本院30例臨床擬診為膝關節軟骨損傷或骨關節炎的患者的臨床病史和影像資料，其中男性15例，女性15例，年齡18～69歲，平均年齡（42.82±12.88）歲，既往無膝關節骨折、手術、腫瘤及類風濕關節炎等慢性病史。所有入選患者均在我院行3.0T膝關節MR常規檢查以及T2*mapping檢查。

2.儀器與方法

采用GE 3.0 T MR，膝關節8通道線圈，對入選患者行常規矢狀位T1W1，矢狀位、冠狀位及軸位脂肪抑制質子密度（FS?PD）像；T2*mapping成像采用5回波梯度回波（GRE）序列矢狀位掃描。掃描參數：重復時間（TR）500 ms，回波時間（TE）為6.5 ms、15.6 ms、28.9 ms、35.4 ms、43.2 ms，層 厚3 mm，層間距0.3 mm，視野（FOV）16 cm×16 cm，矩陣432×576，掃描時間208 s。

3.圖像處理和分析

所有MRI圖像傳至圖像處理工作站，獲得T2*mapping圖像，并調整合適的色階。色階顏色依次由藍色、綠色及紅色代表T2*值逐漸升高。將股骨、脛骨平臺及髕骨軟骨分為14個亞區［3］（圖1A～C），共獲取420個軟骨亞區。根據國際軟骨修復學會（ICRS）標準對矢狀位PDWI圖像進行軟骨損傷分級［4］：0級，軟骨表面光滑，軟骨及軟骨下骨信號無異常；Ⅰ級，軟骨表面光滑，軟骨下骨局部高信號；Ⅱ級，軟骨局部缺損，未達到軟骨全層的50%；Ⅲ級，軟骨缺損達到全層的50%以上；Ⅳ級，軟骨全層缺失，軟骨下骨顯露。將420個軟骨亞區分為軟骨正常組、輕度損傷組（Ⅰ?Ⅱ級）及重度損傷組（Ⅲ?Ⅳ級），另外將正常組又分為承重區及非承重區，非承重區為股骨前、后區及髕骨軟骨，余為承重區。由2名高年資影像科醫師在不知患者病情的情況下對膝關節軟骨進行閱片分級，意見不一致時協商統一。另外，2名醫師分別獨立在各個亞區勾畫感興趣區（ROI）并記錄T2*值，ROI盡量包全軟骨（圖1D）。

圖1 T2*mapping圖像的處理和分析

4.統計學分析

應用SPSS25.0統計軟件進行分析，采用組內相關系數（ICC）評價2名醫師的測量一致性，定量資料采用均數±標準差（±s）表示，對T2*值進行正態性檢驗，如符合正態分布，2組間比較采用獨立樣本均數的t檢驗；如不符合，則采用校正的t檢驗。多組間比較采用單因素方差分析（ANOVA），兩兩比較采用LSD法。P<0.05認為差異有統計學意義。

結 果

2名醫師對T2*值的測量顯示了很好的可靠性和可重復性（ICC=0.985，95%置信區間0.974～0.992）。取兩者測量的平均值作為最后的統計數值。

420個軟骨亞區中，軟骨正常組332個，輕度損傷組41個，重度損傷組47個。輕度及重度損傷組的T2*mapping圖大多數表現為黃色/紅色色階，而軟骨正常組則表現為相對均勻的綠色色階（圖2～5）。輕度及重度損傷組的T2*平均值均高于正常組（P<0.05），重度損傷組的T2*平均值高于輕度損傷組，2組間差異無統計學意義（P=0.12，表1）。其中，髕骨內、外側區及股骨內、外側前區的軟骨損傷共56個，占所有損傷軟骨中的63.64%。另外，正常組的承重區和非承重區的T2*值差異具有統計學意義（P<0.05，表2）。

表1 膝關節軟骨正常組、輕度及重度損傷組的T2*值比較

表2 膝關節軟骨正常組承重區及非承重區的T2*值比較

圖2 典型病例1（男，41歲，髕骨軟骨Ⅱ級損傷）

討 論

1.T2*mapping成像技術在關節軟骨中的優勢

關節軟骨是由軟骨細胞、細胞外基質組成，而細胞外基質主要是由水、膠原纖維及蛋白多糖組成。當早期軟骨損傷時，在組織學上通常表現為蛋白多糖減少而水含量增加，膠原纖維進行性破壞，到晚期的時候，蛋白多糖進一步丟失，水含量也逐漸降低。

圖3 典型病例2（男，38歲，髕骨軟骨Ⅱ級損傷，股骨外側前區軟骨Ⅲ級損傷）

圖4 典型病例3（男，36歲，股骨外側中后區軟骨Ⅲ級損傷伴骨髓水腫）

隨著MRI技術的不斷發展，MRI不但可以顯示軟骨的形態及信號，還可進行定量分析。近年來，多種MRI定量技術被用于評估關節軟骨的早期病理生理改變。T2 mapping成像技術通過分析組織橫向磁化衰減來反映組織成分改變。諸多研究結果顯示退變的膝關節軟骨T2值升高。然而，由于T2值受到年齡、體重指數（BMI）及運動量大小的影響，且部分膠原纖維排列方向與穩定磁化矢量夾角會產生魔角效應，所以，T2 mapping序列評估關節軟骨損傷存在準確性方面的爭議［5］。T1ρmapping成像技術通過檢測射頻脈沖磁場中的組織自旋弛豫值，在常規序列前加用自旋鎖定的預脈沖進行預磁化［5］。目前研究得出，T1ρ mapping對探測早期損傷較T2 mapping更敏感，早期退變的關節軟骨T1ρ值增高。然而，T1ρmapping成像技術同樣存在成像時間較長等不足。

T2*mapping是一種相對較新的軟骨生化成分成像方法，采用多回波梯度序列，利用了關節軟骨橫向弛豫的特點，T2*值主要受水含量及膠原網格結構的影響，從而可用于定量評估軟骨的生理成分改變。相比T1ρmapping和T2 mapping，T2*mapping成像速度更快，圖像分辨率更高，對關節軟骨的膠原纖維各向異性及含水量的變化更為敏感。另外，軟骨損傷后的自我修復能力較差，T2*mapping成像對于軟骨的修復治療也具有一定的評估價值。

圖5 典型病例4（男，34歲，髕骨軟骨Ⅲ?Ⅳ級損傷及股骨前區軟骨Ⅰ級損傷）

2.軟骨損傷在T2*mapping成像上的表現

本研究發現，膝關節軟骨輕度及重度損傷組的T2*平均值均高于軟骨正常組，這與以往部分學者研究結果相似，這可能是由于早期關節軟骨損傷膠原纖維減少而水含量增加［6］，所以T2*值表現得更高，但軟骨輕度和重度損傷組間無明顯統計學差異。然而，有部分學者在研究T2*值與軟骨退變程度的關系得出了不一樣的結論。Bittersohl等［7-8］研究發現，T2*值隨著軟骨退變程度的加重而減少，并且T2*值的下降在骨關節炎的早期最明顯。Hesper等［9］在研究髖關節撞擊綜合征的患者中也發現正常髖臼軟骨的T2*平均值要高于軟骨退變的區域，且具有統計學差異。另外，Hesper等［10］對正常人群的各年齡段及軟骨分區進行了研究，發現正常軟骨在各年齡段并無統計學差異，但是T2*值在髖臼和股骨頭軟骨的前、上、前上和后上部是增加的；另外，髖臼軟骨中間區域的T2*值更高，而股骨頭軟骨沒有這種差異。這些研究結果說明，T2*mapping具有對早期骨關節炎進行監測的潛在能力，同時也表明了軟骨損傷與T2*值的關系受諸多因素影響，需要通過對軟骨損傷的時間、部位、程度及性質等進行更詳細地探究。另外，本研究中髕骨及股骨前區軟骨損傷所占的比例相對較多，可能是由于髕股關節的結構和功能高度復雜，可以發生鈍性創傷、髕骨外側脫位或關節負荷異常的繼發性損傷等，繼而關節面下的軟骨易發生損傷［11］。本研究中正常組中非承重區的T2*平均值高于承重區。張晏境等［12］研究發現，膝關節淺層軟骨區域的總體平均T2*值高于深層，且淺層平均T2*值在運動后3 h內降低，該結果提示淺層軟骨在跑步過程產生更多的變形，他們認為這可能與淺層軟骨的膠原纖維大部分與關節下骨平行，具有較大的可壓縮性，在運動過程中容易產生形變有關。

T2*mapping仍存在一些局限性：T2*mapping的多回波梯度序列缺乏180°聚相位脈沖，所以對磁化偽影更加敏感，這些偽影可能由異物顆粒（如手術后的碎屑或人工植入物）或者軟骨-骨界面表現出來，可能會嚴重影響軟骨評估［7］。但是，T2*mapping作為一項新的生理成像技術，能夠對早期軟骨變性的生理變化進行評估，并為臨床干預和治療關節軟骨提供明確的依據。

本研究應用T2*mapping對正常及損傷后的膝關節軟骨進行了分區量化評價，并定量分析了膝關節承重區及非承重區的正常軟骨，結果表明，相對于常規MRI，本技術能更為敏感、準確地評價關節軟骨，就我們所檢索到的范圍內，尚未見類似的研究。

作為一項初步研究，本研究仍存在較多不足之處：①樣本量少，年齡跨度較大，未能對患者的年齡段進行詳細地分類，并且沒有設立健康對照組。②本研究從影像學主觀判斷軟骨損傷分級，缺乏組織學的診斷標準。③使用ROI分析的T2*測量值是每個亞區的平均值，可能低估了某個微小但很顯著的區域變化。

總之，磁共振T2*mapping成像能夠通過量化分析關節軟骨內部的組成成分，更好地顯示軟骨的損傷、變性，對骨關節炎患者的早診斷、早治療具有廣闊的應用前景，并將進一步為臨床的治療療效評估提供重要的量化信息。