正常青年人動(dòng)態(tài)負(fù)荷下膝關(guān)節(jié)軟骨磁共振T2時(shí)間的定量研究

李智慧 周海宇 奚小冰 李元超 陸 勇 杜聯(lián)軍 丁曉毅 嚴(yán)福華

隨著MR技術(shù)的發(fā)展，關(guān)節(jié)軟骨的生理性功能成像越來越受到關(guān)注。其中T2 mapping成像序列是近年來研究的熱點(diǎn)之一。有研究表明T2 mapping成像對(duì)關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)的水含量[1]和膠原纖維[2]十分敏感。目前的大部分研究是觀察非負(fù)荷或非定量負(fù)荷狀態(tài)下的軟骨，這主要是常規(guī)磁共振無法實(shí)現(xiàn)應(yīng)力位成像。本次研究擬采用自主開發(fā)的、可適應(yīng)高磁場(chǎng)環(huán)境的下肢動(dòng)態(tài)負(fù)荷加壓裝置，對(duì)正常中國青年人進(jìn)行定量動(dòng)態(tài)負(fù)荷，并對(duì)負(fù)荷前后的膝軟骨T2時(shí)間進(jìn)行比較，以此來分析磁共振T2 mapping成像反映軟骨基質(zhì)生理變化的敏感度，并驗(yàn)證下肢負(fù)荷裝置的有效性。

方 法

1.一般資料

本次研究方案通過了醫(yī)院倫理委員會(huì)審查，所有受試者均知情同意并簽署相關(guān)文件。入選者篩選條件如下：無磁共振檢查禁忌證，無外傷史，無關(guān)節(jié)炎病史和家族史，無下肢手術(shù)史，無膝關(guān)節(jié)疼痛等臨床癥狀，漢族青年。受試對(duì)象共13人，其中6例男性，7例女性，平均年齡24.08±0.86歲（23～26歲），身體質(zhì)量指數(shù)（BMI）平均為19.57±1.41kg/m2（17.15～21.72kg/m2）。

2.下肢動(dòng)態(tài)負(fù)荷試驗(yàn)

采用自行開發(fā)設(shè)計(jì)，全部采用非鐵磁材料制作的人體下肢關(guān)節(jié)加載裝置。該裝置采用氣動(dòng)加壓原理（圖1），以人工橫紋肌裝備實(shí)施下肢加壓，受試者肩部和腰部固定，以基于Labview平臺(tái)開發(fā)的負(fù)荷工控軟件實(shí)現(xiàn)場(chǎng)外控制，設(shè)計(jì)垂直載荷為0～500N。

為了模擬正常人行走狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)軟骨受力狀況，本實(shí)驗(yàn)采用在高場(chǎng)MR條件下進(jìn)行定量動(dòng)態(tài)負(fù)荷加壓。在MR機(jī)架上安裝動(dòng)態(tài)載荷加壓裝置，連接膝關(guān)節(jié)線圈，取仰臥位，固定受試者上半身以保證下肢負(fù)荷不因肢體位移而導(dǎo)致力學(xué)載荷流失。在完成MR掃描后，進(jìn)行下肢動(dòng)態(tài)負(fù)荷加壓?？紤]到人體承受能力，本實(shí)驗(yàn)對(duì)體重＞60kg者，施加壓力為體重的50%，體重≤60kg者，所施壓力載荷為300N。負(fù)荷形態(tài)為正弦波，周期5s，加壓時(shí)間為20min。停止加壓裝置，再次進(jìn)行MR序列成像。

采用GE Signa 3.0T磁共振成像系統(tǒng)，膝關(guān)節(jié)專用線圈（Quadknee），采用8回波T2 mapping序列，矢狀位成像。參數(shù)：TR=1000ms，TE=8.9～71.0ms，層厚5mm，層間距2mm，F(xiàn)OV16cm×16cm，NEX=1，分辨率為320×192矩陣。

T2時(shí)間測(cè)定：將MR T2 mapping序列掃描的圖像輸入GE AW4.4工作站（版本functool 9.4.05a），應(yīng)用functool軟件進(jìn)行后處理，得到膝關(guān)節(jié)軟骨T2值的空間分布偽彩圖，調(diào)節(jié)色階范圍在適當(dāng)范圍（10～80ms）。利用T2 mapping序列所得的圖像進(jìn)行T2值的測(cè)量，選擇大小一致的ROI分別測(cè)量膝關(guān)節(jié)股骨內(nèi)側(cè)髁、外側(cè)髁，脛骨內(nèi)側(cè)髁、外側(cè)髁、髕軟骨的負(fù)荷區(qū)的T2時(shí)間值，每處軟骨在不同部位均測(cè)量3次取平均值。分別計(jì)算并記錄股骨內(nèi)外側(cè)髁軟骨面、脛骨內(nèi)外側(cè)平臺(tái)軟骨和髕軟骨的T2時(shí)間均值。

3.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)同一軟骨區(qū)動(dòng)態(tài)負(fù)荷前后的T2時(shí)間進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，對(duì)不同區(qū)域軟骨T2時(shí)間變化差異進(jìn)行單因素方差分析，以P<0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

MR圖像分析：13例受試者中，男性6例，女性7例；受試者平均年齡為24.08±0.86歲；受試者在完成本實(shí)驗(yàn)后的隨訪中無任何異常情況。負(fù)荷前后軟骨T2 mapping上表現(xiàn)：軟骨在常規(guī)序列上光滑連續(xù)，未見異常信號(hào)；在T2 mapping圖像上表層和深層表現(xiàn)為綠色，中間呈淺橘色，光滑連續(xù)的信號(hào)帶（圖2）。

圖1 動(dòng)態(tài)加壓裝置工作原理與實(shí)驗(yàn)圖。

圖2 負(fù)荷前后股骨內(nèi)側(cè)髁和脛骨平臺(tái)內(nèi)側(cè)軟骨T2 mapping圖比較: 負(fù)荷前軟骨表層和深層表現(xiàn)為綠色,中間呈淺橘色、光滑連續(xù)信號(hào)帶,負(fù)荷區(qū)T2值約為33.67ms、36.92ms（A）；負(fù)荷后軟骨表現(xiàn)為光滑連續(xù)的綠色信號(hào)帶，中間區(qū)域T2值上升，但總體軟骨T2值無顯著變化, 負(fù)荷區(qū)T2值約為40.70ms、39.86ms（B）。

膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)各部位軟骨負(fù)荷前后的T2時(shí)間分別為：髕軟骨區(qū)44.52±3.63ms，43.69±3.48ms（t=1.23，P=0.242）；脛骨內(nèi)側(cè)平臺(tái)區(qū)40.43±7.7ms，39.76±5.41ms（t=-0.41，P=0.687）；脛骨外側(cè)平臺(tái)區(qū)36.05±5.65ms，36.98±5.53ms（t=0.64，P=0.537）；股骨內(nèi)側(cè)髁區(qū)43.30±8.18ms，48.62±6.48ms（t=1.94，P=0.085）；股骨外側(cè)髁區(qū)41.55±5.18ms，46.50±6.99ms（t=1.88，P=0.077）。負(fù)荷前后的膝關(guān)節(jié)軟骨各個(gè)分區(qū)的T2時(shí)間無顯著變化。不同區(qū)域軟骨T2時(shí)間變化值比較結(jié)果：P=0.22，不同區(qū)域軟骨T2時(shí)間變化差異無顯著差異（表1）。

表1 正常青年人負(fù)荷前后關(guān)節(jié)軟骨的T2值變化（均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，單位ms）

討 論

1.正常關(guān)節(jié)軟骨的生化組成成分及其作用

關(guān)節(jié)軟骨是一種特殊的結(jié)締組織，由軟骨細(xì)胞和軟骨基質(zhì)組成，沒有血管、神經(jīng)和淋巴管，營養(yǎng)主要來自滑液和軟骨下血管。軟骨基質(zhì)主要由水、膠原纖維和蛋白多糖組成。水分約占軟骨濕重的65%～80%。膠原占軟骨干重的60%～80%，在軟骨內(nèi)形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，賦予軟骨一定的形態(tài)和硬度。蛋白多糖被膠原網(wǎng)架包繞，占軟骨干重的20%～40%，蛋白多糖帶大量負(fù)電荷，吸附大量水分，使軟骨內(nèi)產(chǎn)生膨脹壓。關(guān)節(jié)軟骨可分為四層：淺表層、過渡層、放射層和鈣化層，各層中細(xì)胞的形狀與大小、膠原纖維的粗細(xì)與走向、蛋白多糖的濃度和水分的含量均不相同。這些組織結(jié)構(gòu)賦予了關(guān)節(jié)軟骨的主要生理功能有均勻傳遞載荷、減少接觸應(yīng)力、緩沖震蕩等。

2.T2 mapping成像原理及其與軟骨基質(zhì)的關(guān)系以及相關(guān)應(yīng)用研究

T2弛豫時(shí)間通過描述組織橫向磁化衰減來反映組織的特異性，通過測(cè)量不同回波時(shí)間的磁共振信號(hào)強(qiáng)度，并由方程S(t)=S0exp(-t/T2)計(jì)算得到T2值。研究表明該序列對(duì)組織內(nèi)的含水量和膠原結(jié)構(gòu)十分敏感。影響T2時(shí)間的因素有軟骨基質(zhì)內(nèi)水含量、關(guān)節(jié)軟骨膠原結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)軟骨生物力學(xué)、魔角效應(yīng)等[3]。由于關(guān)節(jié)軟骨各層內(nèi)水含量、膠原纖維的方向和組織結(jié)構(gòu)差異，T2時(shí)間也會(huì)不同。有研究表明[1]膝關(guān)節(jié)軟骨T2值從鈣化層10ms升至淺表層達(dá)60ms。有關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究[4]顯示狗肘關(guān)節(jié)軟骨T2值接近于人的軟骨T2值，T2 mapping序列可有助于提高對(duì)犬OA疾病的診斷并且具有較好的可重復(fù)性。Wei等[5]結(jié)果表明前交叉韌帶斷裂的兔子骨關(guān)節(jié)炎模型軟骨T2值明顯升高，并且T2值與組織學(xué)分級(jí)有很好的相關(guān)性，T2 mapping在評(píng)估前交叉韌帶斷裂兔子軟骨損傷具有可靠性和可行性。有研究[6]對(duì)正常人和早期膝關(guān)節(jié)軟骨損傷的病人進(jìn)行對(duì)照研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)早期軟骨損傷病人的T2值明顯升高，T2 mapping可對(duì)早期的軟骨損傷具有較高的臨床診斷價(jià)值。Mamisch等[7]研究結(jié)果顯示T2 mapping可對(duì)非負(fù)荷狀態(tài)下的正常軟骨組織和修復(fù)軟骨進(jìn)行鑒別和評(píng)估。研究者[8]對(duì)膝關(guān)節(jié)軟骨損傷病人進(jìn)行常規(guī)序列MR檢查和增加一個(gè)矢狀位T2 mapping序列MR檢查對(duì)照研究，并用關(guān)節(jié)鏡作為檢查軟骨損傷的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表明增加T2 mapping序列的MR檢查提高了對(duì)軟骨損傷的敏感性。

3.軟骨負(fù)荷前后T2時(shí)間的分析研究

T2值反映了關(guān)節(jié)軟骨中的水含量，在軟骨大體形態(tài)變化前其內(nèi)部大分子的改變都會(huì)造成其水含量的相應(yīng)變化。T2 mapping技術(shù)對(duì)組織含水及生化結(jié)構(gòu)非常敏感，軟骨膠原蛋白多糖中結(jié)合水質(zhì)子促進(jìn)了T2值衰減，使軟骨在T2加權(quán)上信號(hào)減低，所以軟骨的基質(zhì)改變能在T2 mapping上反映出來[9]。為了研究軟骨動(dòng)態(tài)負(fù)荷前后軟骨基質(zhì)成分變化情況，本實(shí)驗(yàn)采用自行開發(fā)的人體下肢關(guān)節(jié)力學(xué)負(fù)荷裝置，對(duì)志愿者的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行定量動(dòng)態(tài)負(fù)荷加壓。結(jié)果顯示正常青年定量動(dòng)態(tài)負(fù)荷前后膝關(guān)節(jié)軟骨的T2時(shí)間值無顯著差異；不同區(qū)域軟骨T2時(shí)間變化亦無顯著差異。國外研究報(bào)道[10]研究者對(duì)22位正常志愿者膝關(guān)節(jié)靜態(tài)負(fù)荷50%體重后，股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨T2值明顯降低。脛骨平臺(tái)內(nèi)外側(cè)軟骨T2值也明顯降低。MR生物力學(xué)負(fù)荷后可以檢測(cè)靜態(tài)負(fù)荷過程中軟骨T2值的變化。研究者[11]對(duì)20例正常成年志愿者人跑步運(yùn)動(dòng)30min前后進(jìn)行T2 mapping成像，與運(yùn)動(dòng)前相比，除脛骨外側(cè)髁軟骨外，其他膝關(guān)節(jié)各部分的軟骨運(yùn)動(dòng)后T2值都明顯降低。運(yùn)動(dòng)后，脛股關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)軟骨和髕股關(guān)節(jié)軟骨T2值降低的最顯著。國內(nèi)相關(guān)研究[12]顯示正常人跑步運(yùn)動(dòng)后膝關(guān)節(jié)軟骨T2時(shí)間值降低。

4.本研究的局限性及其結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，中國正常青年人定量動(dòng)態(tài)負(fù)荷前后膝關(guān)節(jié)軟骨的T2時(shí)間值無顯著差異；不同區(qū)域軟骨T2時(shí)間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。而國內(nèi)外前人的研究結(jié)果顯示跑步運(yùn)動(dòng)前后或非定量負(fù)荷后正常人膝關(guān)節(jié)負(fù)荷后膝關(guān)節(jié)軟骨的T2時(shí)間降低。鑒于此，分析本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可能原因有：①正常人在步態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)膝關(guān)節(jié)最大軸向所受的力約是體重的2.3～7.1倍[13]。而本實(shí)驗(yàn)對(duì)受試者所施加的定量動(dòng)態(tài)負(fù)荷僅為體重的一半。可能由于負(fù)荷的原因造成此研究結(jié)果為陰性；②由于人體站立或在平躺仰臥位時(shí)，膝關(guān)節(jié)的連動(dòng)作用，以及關(guān)節(jié)周圍韌帶、肌肉、半月板等組織對(duì)所施加力緩沖作用，可能作用于膝關(guān)節(jié)軟骨的力達(dá)不到實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)值；③加壓裝置和固定裝置的原因：本實(shí)驗(yàn)所采用的自主設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)加載裝置及固定裝置，可能隨著加載時(shí)間的延長(zhǎng)、固定裝置的松動(dòng)等原因造成所施加的壓力不能完全作用于人體；④軟骨本身具有較高的承載作用，可能由于軟骨在一定壓力值承受范圍內(nèi)關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)的基質(zhì)成分變化不明顯；⑤本研究樣本量較少，軟骨T2值的變化情況有待進(jìn)一步大樣本的統(tǒng)計(jì)分析。

總之，與靜息狀態(tài)相比，本研究正常人膝關(guān)節(jié)軟骨在承載一定量的動(dòng)態(tài)負(fù)荷后軟骨T2時(shí)間無顯著差異，這可能與多方面因素有關(guān)。另外本實(shí)驗(yàn)所采用的自行設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)加壓裝置適合在高磁場(chǎng)條件下完成加壓及磁共振檢查，有一定的臨床推廣意義。

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