磁共振T2 mapping成像對移植軟骨的評估價(jià)值

陳 敏，徐 賢，韓邵軍，唐艷華，張 君，董天明，左盼利，安寧豫

1中國人民解放軍總醫(yī)院放射科，北京 100853

2西門子 (中國)有限公司醫(yī)療業(yè)務(wù)領(lǐng)域磁共振事業(yè)部，北京 100102

·論 著·

磁共振T2 mapping成像對移植軟骨的評估價(jià)值

陳 敏1，徐 賢1，韓邵軍1，唐艷華1，張 君1，董天明1，左盼利2，安寧豫1

1中國人民解放軍總醫(yī)院放射科，北京 100853

2西門子 (中國)有限公司醫(yī)療業(yè)務(wù)領(lǐng)域磁共振事業(yè)部，北京 100102

目的探討磁共振T2 mapping成像對基質(zhì)誘導(dǎo)的自體軟骨細(xì)胞移植 (MACI/MACT)術(shù)后的評估價(jià)值。方法 4例接受MACI治療的膝關(guān)節(jié)軟骨損傷患者 (10處軟骨損傷)，分別在術(shù)后1、3、6個(gè)月進(jìn)行磁共振T2 mapping檢查，測量各時(shí)間點(diǎn)移植區(qū)與正常區(qū)軟骨全層的T2值，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。各個(gè)時(shí)間點(diǎn)移植區(qū)與正常區(qū)T2值比較采用配對t檢驗(yàn)，移植區(qū)T2值的縱向?qū)Ρ炔捎脝我蛩胤讲罘治?。結(jié)果MACI術(shù)后1、3、6個(gè)月移植區(qū)的T2平均值分別為 (82．40±15．23)、(71．09±13．06)、(53．80±4．86)ms。術(shù)后6個(gè)月內(nèi)移植區(qū)T2值均大于正常區(qū)，1、3個(gè)月組差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P均＜0．01)，6個(gè)月組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P=0．196)。術(shù)后1、3、6個(gè)月移植區(qū)T2值縱向變化差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0．03)。結(jié)論磁共振T2 mapping成像能夠無創(chuàng)、動態(tài)地監(jiān)測移植軟骨的修復(fù)過程，可作為軟骨修復(fù)術(shù)后評估的有力工具。

T2值;軟骨;膝關(guān)節(jié);基質(zhì)誘導(dǎo)的自體軟骨細(xì)胞移植

Acta Acad Med Sin，2014，36(1)：86-91

關(guān)節(jié)軟骨損傷是一種常見病，由于其內(nèi)缺乏血管、淋巴和神經(jīng)，損傷后自我修復(fù)的能力非常有限?；|(zhì)誘導(dǎo)的自體軟骨細(xì)胞移植技術(shù) (matrix-associated autologous chondrocyte implantation/transplantation，MACI/MACT)作為最新的軟骨移植術(shù)可以達(dá)到接近于正常透明軟骨修復(fù)的效果［1-2］，臨床應(yīng)用前景廣闊。磁共振成像 (magnetic resonance imaging，MRI)是評價(jià)關(guān)節(jié)軟骨最敏感的無創(chuàng)性方法，在關(guān)節(jié)軟骨成像中的重要應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)被廣泛認(rèn)識與接受，但常規(guī)的磁共振成像主要是用來評估軟骨的形態(tài)學(xué)變化。近年來，國內(nèi)外采用最新的磁共振T2 mapping和軟骨延遲增強(qiáng)成像 (delayed gadolinium enhanced MRI of the cartilage，dGEMRIC)對移植軟骨進(jìn)行隨訪分析，結(jié)果顯示在軟骨移植修復(fù)初期，軟骨形態(tài)未出現(xiàn)明確改變之前就已有生物力學(xué)指標(biāo) (T2值或T1值) 的變化［3］。目前，T2 mapping用于關(guān)節(jié)軟骨損傷及修復(fù)的評估研究多是大跨度、中遠(yuǎn)期的對比分析，而對于MACI術(shù)后的早期隨訪觀察國內(nèi)外尚無相關(guān)報(bào)道。本研究旨在通過對MACI術(shù)后1、3、6個(gè)月T2值隨訪比較，從生物力學(xué)角度探討磁共振T2 mapping成像對移植軟骨修復(fù)過程的評估價(jià)值。

對象和方法

對象本研究納入4例MACI患者 (女3例，男1例)，共8個(gè)膝關(guān)節(jié)10處軟骨缺損 (股骨內(nèi)側(cè)髁2處，股骨滑車4處，髕骨4處)?；颊咂骄挲g (46．5±4．5)歲 (40～50歲)。軟骨缺損平均面積 (1．959±1．2098)cm2(0．8 ～ 5．0 cm2，n=10)，按照國際軟骨修復(fù)協(xié)會 (International Cartilage Repair Society，ICRS)標(biāo)準(zhǔn)，缺損程度均為Ⅲ～Ⅳ度。檢查前所有受試者均簽署知情同意書。

MR檢查采用Skyra 3．0 T高場強(qiáng)磁共振掃描儀(Siemens Ltd．，Germany)和15通道膝關(guān)節(jié)表面線圈。采用腳先進(jìn)、仰臥位模式，掃描時(shí)盡量保持膝關(guān)節(jié)位于線圈中央。掃描序列包括矢狀位3D-VIBE，高分辨冠狀位、矢狀位和橫軸位質(zhì)子脂肪抑制序列 (Fat Saturation Protein Density Weighted Imaging，F(xiàn)S-PDWI) 以及矢狀位T2 mapping序列。T2 mapping掃描均在患者靜臥30 min后進(jìn)行。

成像參數(shù)：矢狀位 3D-VIBE：TR 11．60 ms，TE 5．44 ms，F(xiàn)OV 150×150 mm，矩陣 381×448，掃描時(shí)間5 min 27 s;高分辨冠狀位FS-PDWI：TR 2400．0 ms，TE 35．0 ms，F(xiàn)OV 140 ×140 mm，矩陣 381 ×448，掃描時(shí)間 4 min 42 s;高分辨矢狀位FS-PDWI：TR 3000．0 ms，TE 31．0 ms，F(xiàn)OV 140 ×140 mm，矩陣 336 ×448，掃描時(shí)間4 min 44 s;高分辨橫軸位FS-PDWI：TR 3790．0 ms，TE 31．0 ms，F(xiàn)OV 140 × 140 mm，矩陣336×448，掃描時(shí)間4 min 27 s;T2 mapping：采用5個(gè)回波 SE序列矢狀位掃描，TR 1921．3 ms，TE 13．8/27．6/41．4/55．2/69 ms，F(xiàn)OV 160 ×160 mm，矩陣 384 ×384，掃描時(shí)間8 min 42 s。

圖像處理所有圖像數(shù)據(jù)傳輸至syngo workplace(Siemens Ltd．，Germany)后處理工作站，由兩位經(jīng)培訓(xùn)后的放射科醫(yī)師進(jìn)行雙盲讀片，完成數(shù)據(jù)測量及記錄。對測量結(jié)果一致性好者，取其平均值作為最終結(jié)果，如果測量結(jié)果差異較大，則重新測量得出一致性結(jié)論。感興趣區(qū) (region of interest，ROI)的選擇：結(jié)合3D-VIBE及高分辨矢狀位FS-PDWI圖像，移植區(qū)ROI盡量包全修復(fù)組織全層 (圖1);正常區(qū)ROI為移植區(qū)旁5 mm，且高分辨FS-PDWI圖像上顯示表面完整、內(nèi)部無信號異常的軟骨 (圖2)。

T2值測量方法：圖像數(shù)據(jù)經(jīng)軟件生成T2 mapping偽彩圖，對照高分辨矢狀位FS-PDWI圖像，同步描繪感興趣區(qū)軟骨邊界，選擇感興趣區(qū)顯示最好層面重復(fù)測量3次取平均值。盡量保持不同時(shí)間點(diǎn)移植區(qū)和正常區(qū)ROI在同一位置 (圖3)。

統(tǒng)計(jì)學(xué)處理采用SPSS 13．0統(tǒng)計(jì)軟件，定量數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，各個(gè)時(shí)間點(diǎn)移植區(qū)與正常區(qū)的T2值比較采用配對t檢驗(yàn)，移植區(qū)T2值的1、3、6個(gè)月縱向比較采用單因素方差分析，P＜0．05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

磁共振T2 map圖像定量測量結(jié)果顯示，MACI術(shù)后1、3、6個(gè)月移植區(qū)T2值分別為 (82．40±15．23)、(71．09 ±13．06)、(53．80 ±4．86)ms，均大于正常區(qū)的(52．77 ±12．37)、(50．14 ±6．43)、(50．43 ±7．70)ms，其中術(shù)后1個(gè)月和3個(gè)月移植區(qū)與正常區(qū)的T2值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P均＜0．01)，而術(shù)后6個(gè)月差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P=0．196)?？v向?qū)Ρ妊芯堪l(fā)現(xiàn)，MACI術(shù)后1、3、6個(gè)月移植軟骨的T2值變化有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0．03)。隨著隨訪時(shí)間延長，T2值逐漸下降，并接近正常區(qū) (圖4、5)。術(shù)后6個(gè)月移植區(qū)T2值明顯低于1(P=0．001) 和3個(gè)月 (P=0．014)，而1和3個(gè)月移植區(qū)T2值相比差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P=0．204)。正常區(qū)T2值在術(shù)后各隨訪時(shí)間點(diǎn)差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P＞0．05)。

圖1 移植區(qū)感興趣區(qū) (白色方框所示區(qū)域)Fig 1 The region of interest of the transplanted area(denoted by the white box)

圖2 正常區(qū)感興趣區(qū) (白色方框所示區(qū)域)Fig 2 The region of interest of the control cartilage(denoted by the white box)

圖3 MACI術(shù)后1、3、6個(gè)月移植區(qū)感興趣區(qū)Fig 3 The region of interest of the transplanted area at 1，3 and 6 months after MACI

圖4 MACI術(shù)后1、3、6個(gè)月移植區(qū)與正常區(qū)T2值的比較Fig 4 Comparison of T2 values(ms)in the transplanted and control cartilage at 1，3，and 6 months after MACI

圖5 10處軟骨缺損移植區(qū)術(shù)后1、3、6個(gè)月T2值變化 (n=10)Fig 5 T2 values of the transplanted area at 1，3，and 6 months after MACI(n=10)

討 論

目前，常用的軟骨MRI生物學(xué)檢測技術(shù)主要包括dGEMRIC和T2 mapping成像，dGEMRIC根據(jù)軟骨內(nèi)負(fù)電荷密度成像間接反映軟骨組織中的糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)含量，該方法需要注射對比劑，且對比劑靜脈注射后至少需要等待90 min(注射后患者需行走15 min) 方可行T1 mapping掃描［4-5］。而T2 mapping因無需對比劑，掃描時(shí)間較短，已經(jīng)成為關(guān)節(jié)MRI生化成像中的主要序列。國內(nèi)外大量的研究已經(jīng)證實(shí)MR T2 mapping是目前評價(jià)軟骨最有效的無創(chuàng)性技術(shù)之一，但現(xiàn)有的T2 mapping研究只對MACI術(shù)后中遠(yuǎn)期療效進(jìn)行觀察，并未對其術(shù)后早期變化進(jìn)行密切追蹤隨訪。本研究采用T2 mapping技術(shù)，通過對軟骨移植患者術(shù)后6個(gè)月內(nèi)的定期隨訪，評估移植軟骨的早期生化修復(fù)過程。

T2值主要反映軟骨內(nèi)膠原的含量、構(gòu)象及水含量的變化，在軟骨的修復(fù)過程中可以監(jiān)測膠原的重構(gòu)［3］。關(guān)節(jié)軟骨主要由Ⅱ型膠原 (15% ～22%)、蛋白多糖 (proteoglycan，PG)(4%～7%)和水 (60%～85%)組成，PG是由蛋白核心和大量負(fù)電荷的GAG復(fù)合而成［6］。軟骨內(nèi)膠原含量、膠原纖維各向異性和水含量是軟骨T2值變化的主要決定因素，PGs含量的變化對T2值影響不大［7］。本研究中，MACI術(shù)后6個(gè)月內(nèi)移植區(qū)T2值均高于正常區(qū)，且以1個(gè)月和3個(gè)月尤為顯著，提示移植區(qū)內(nèi)水含量、膠原纖維含量及構(gòu)象發(fā)生了變化。有研究表明關(guān)節(jié)軟骨損傷時(shí)，膠原網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞和膠原纖維排列改變能夠使水的通透性增加;同時(shí)膠原網(wǎng)斷裂使積聚的PG分散展開，暴露更多的陰離子，從而進(jìn)一步增加軟骨內(nèi)的水含量，使軟骨T2值升高［8］。MACI術(shù)后早期，軟骨基質(zhì)尚未形成，膠原纖維排列雜亂也可使T2值增高。此外，手術(shù)創(chuàng)傷造成表面軟骨水腫、關(guān)節(jié)液滲入也是T2值增高的影響因素［3，9］。

本研究發(fā)現(xiàn)MACI術(shù)后6個(gè)月內(nèi)隨著時(shí)間的進(jìn)展，移植軟骨的T2值逐漸下降，并趨于正常。Zheng等［1］研究MACI術(shù)后軟骨的組織及生化特性時(shí)發(fā)現(xiàn)：術(shù)后48h移植物內(nèi)軟骨細(xì)胞從膠原膜上游離，散亂分布于纖維膠中，無明確的軟骨基質(zhì)形成;術(shù)后21d時(shí)，結(jié)構(gòu)紊亂的軟骨樣基質(zhì)形成，軟骨細(xì)胞散在分布于其中。Loeuille等［10］報(bào)道在老鼠軟骨發(fā)育成熟過程中，隨著老鼠年齡的增長，膠原含量增加，T2值呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。因此，在軟骨的修復(fù)過程中，隨著膠原的形成 (含量增多、排列趨于規(guī)整)T2值逐漸下降。此外，手術(shù)創(chuàng)傷的恢復(fù)和滲液吸收也會促使T2值進(jìn)一步下降。

隨訪至術(shù)后6個(gè)月時(shí)，移植區(qū)T2值與正常區(qū)無明顯差別，提示隨著修復(fù)組織成熟，移植軟骨內(nèi)水含量和膠原含量及排列方向基本接近正常。本研究中患者所行均是最新的自體軟骨移植技術(shù) (autologous chondrocyte transplantation，ACI) ——MACI，它以生物材料為支架，最終形成透明或透明樣軟骨修復(fù)［1-2，11-12］。術(shù)前從患者軟骨非負(fù)重區(qū)取出正常自體關(guān)節(jié)軟骨，體外分離出軟骨細(xì)胞，培養(yǎng)擴(kuò)增后種植在Ⅰ/Ⅲ型雙層膠原膜上;手術(shù)時(shí)修剪成與缺損部位相似的形狀，用生物蛋白膠將其粘貼在缺損處［13-14］。MACI使患者免去了再次手術(shù)的創(chuàng)傷，且術(shù)后并發(fā)癥 (如軟骨細(xì)胞脫落、移植塊過度增生)的發(fā)生率較其他軟骨移植術(shù)明顯下降［14-16］。動物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MACI術(shù)后隨著軟骨的修復(fù)其T2值逐漸減低，并接近于正常區(qū)，且經(jīng)病理證實(shí)為透明軟骨修復(fù)［12］。Domayer等［11］采用 T2 mapping對比微骨折術(shù) (microfracture，MFX)和MACI術(shù)后正常區(qū)與移植區(qū)T2值變化 (relative T2，rT2)，提示rT2越接近于l表示修復(fù)組織的膠原和水含量越接近正常組織。本研究rT2隨著隨訪時(shí)間延長也逐漸接近1。Zheng等［1］研究發(fā)現(xiàn)MACI術(shù)后6個(gè)月75%再生為透明樣軟骨。本研究中6個(gè)月時(shí)移植區(qū)T2值與正常區(qū)差別無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示移植物在不斷塑形過程中，軟骨膠原及自由水含量向正?？拷饾u形成透明軟骨樣的修復(fù)組織。

Trattnig等［17］利用T2 mapping技術(shù)定量測定MACI術(shù)后患者不同時(shí)期移植區(qū)T2值結(jié)果顯示，在術(shù)后早期階段組 (3～13個(gè)月)移植區(qū)T2值明顯高于鄰近的正常軟骨，長期隨訪組 (19～42個(gè)月)移植區(qū)T2值降低至接近正常軟骨。該研究中6個(gè)月時(shí)移植區(qū)與正常區(qū)T2值有區(qū)別，與本研究結(jié)果存在一定差異，可能的原因：(1)本研究隨訪時(shí)間較短，未追蹤6個(gè)月以后T2值的變化;(2)Trattnig等［17］研究中早期階段組時(shí)間跨度較大，且各時(shí)間點(diǎn)病例數(shù)單一 (每個(gè)時(shí)間點(diǎn)僅1例患者)，造成選樣誤差。因此，有待更大樣本量、更長時(shí)間的隨訪觀測。

為了排除個(gè)體間差異，本研究均選擇同例患者的鄰近正常軟骨作為內(nèi)對照以進(jìn)行比較研究;由于移植區(qū)周圍形態(tài)正常的軟骨T2值與遠(yuǎn)處正常的軟骨T2值也存在差異［18］，本研究正常區(qū)ROI選擇的是旁開移植區(qū)5 mm以外的形態(tài)和信號正常的軟骨。此外，運(yùn)動對軟骨的T2值也存在影響［19-20］。研究發(fā)現(xiàn)無論是正常志愿者還是軟骨移植的患者，運(yùn)動后軟骨T2值均明顯下降，尤其是表層軟骨［6，21-22］。Kaab 等［23］研究運(yùn)動對軟骨結(jié)構(gòu)改變時(shí)，發(fā)現(xiàn)動物在休息30 min后運(yùn)動導(dǎo)致軟骨結(jié)構(gòu)改變完全恢復(fù)。因此，本研究所有受試者在進(jìn)行MRI檢查前3h內(nèi)均無劇烈運(yùn)動，且均靜臥30 min后行T2 mapping掃描，旨在消除運(yùn)動對軟骨的影響。

本研究還存在一定局限性。首先，樣本量相對較少、隨訪時(shí)間相對較短，進(jìn)行大樣本量、更長時(shí)間的隨訪評估將更有助于證實(shí)這一結(jié)果的準(zhǔn)確性。其次，MR隨訪無病理組織學(xué)對照，是因?yàn)楸狙芯恐谢颊咝g(shù)后的臨床癥狀改善明顯，均未達(dá)到關(guān)節(jié)鏡檢查的標(biāo)準(zhǔn)，且關(guān)節(jié)鏡作為一種有創(chuàng)檢查技術(shù)，其患者接受性較低。今后本課題組將會補(bǔ)充動物實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行T2 mapping與病理結(jié)果的對照研究，更全面地評估MRI技術(shù)對監(jiān)測移植軟骨修復(fù)過程的隨訪價(jià)值。最后，本研究未對移植軟骨的T2值空間分布進(jìn)行比較，由于此研究中部分患者的移植軟骨較薄且厚度不均勻，無法對其進(jìn)行精確的分層比較。

綜上，本研究結(jié)果顯示，磁共振T2 mapping成像可以定量分析移植軟骨內(nèi)組織成分的變化。MACI術(shù)后6個(gè)月內(nèi)移植軟骨T2值均高于正常區(qū)，但移植區(qū)T2值隨著隨訪時(shí)間延長逐漸接近正常透明軟骨，提示移植物在不斷塑形過程中形成透明軟骨樣的修復(fù)組織。因此，T2 mapping能夠無創(chuàng)、動態(tài)監(jiān)測移植軟骨的修復(fù)過程，并提供修復(fù)組織的生化信息，可作為軟骨移植術(shù)后評估的有力工具。

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Quantitative T2 Mapping Evaluates the Repaired Articular Cartilage

CHEN Min1，XU Xian1，HAN Shao-jun1，TANG Yan-hua1，ZHANG Jun1，DONG Tian-ming1，ZUO Pan-li2，AN Ning-yu1

1Department of Radiology，Chinese PLA General Hospital，Beijing 100853，China
2Division of Magnetic Resonance Imaging，Healthcare Business，Siemens Ltd．China，Beijing 100102，China

AN Ning-yu Tel：010-66876358，E-mail：anywlx@aliyun．com

ObjectiveTo evaluate the value of T2 mapping in monitoring the repaired cartilage after matrix-associated autologous chondrocyte implantation/transplantation(MACI/MACT)．MethodsFour patients(10 plug cartilages)were examined three times by T2 mapping at 1，3，and 6 months using a 3．0 Tesla MR scan system．Quantitative mean(full-thickness)T2 values were calculated in the transplanted area and control cartilage．Paired t-tests were used to compare the T2 values between transplanted and control cartilage．For analysis of longitudinal T2 values，one-way analyses of variance were performed among 1，3，and 6 months after MACI．ResultsThe mean T2 values of the transplanted area at 1，3，and 6 months after MACI were(82．40 ±15．23)，(71．09 ±13．06)，(53．80 ±4．86)ms，respectively．There were significant differences between the transplanted and control cartilage at 1 and 3 months(both P ＜0．01)after MACI，but not at 6 months(P=0．196)．There were significant differences among T2 values of 1，3，and 6 months after MACI in transplanted area(P=0．03)．ConclusionT2 mapping provides a useful tool for monitoring the biochemical development of the transplanted cartilage and can be used to evaluate the cartilage repair noninvasively．

T2 value;cartilage;knee;matrix-induced autologous chondrocyte implantation/transplantation

安寧豫 電話：010-66876358，電子郵件：anywlx@aliyun．com

R445．2

A

1000-503X(2014)01-0086-06

10．3881/j．issn．1000-503X．2014．01．016

2013-08-23)