磁共振T1ρ和T2-mapping定量技術(shù)對(duì)股骨頭壞死軟骨變性的對(duì)照研究

韓曉蕊， 洪郭駒， 趙曼， 劉斯?jié)櫍?冷曉明

·骨骼肌肉影像學(xué)·

磁共振T1ρ和T2-mapping定量技術(shù)對(duì)股骨頭壞死軟骨變性的對(duì)照研究

韓曉蕊， 洪郭駒， 趙曼， 劉斯?jié)櫍?冷曉明

目的：分析T1ρ和T2-mapping定量MRI技術(shù)在股骨頭壞死軟骨變性中的診斷價(jià)值。方法：對(duì)24例健康志愿者(對(duì)照組)及47例股骨頭壞死(ARCO Ⅰ～Ⅲ期)初治患者行MRI掃描，掃描序列包括常規(guī)MRI、多回波回復(fù)梯度回波(MERGE)、T1ρ及T2-mapping。測量定量參數(shù)T1ρ及T2-mapping值，并采用Pearson相關(guān)分析評(píng)估兩者之間的相關(guān)性，采用受試者工作特征曲線(ROC)對(duì)兩者的診斷效能進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果：股骨頭壞死組的T1ρ和T2-mapping值明顯高于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-4.51、-3.77，P<0.01)。T1ρ與T2-mapping值呈正相關(guān)關(guān)系(r=0.381，P<0.01)。T1ρ的ROC下最大面積為0.822，相應(yīng)的敏感度和特異度分別為72.34%和70.83%，特異度明顯高于T2-mapping(58.33%)。結(jié)論：磁共振T1ρ及T2-mapping成像技術(shù)均可用于股骨頭壞死患者軟骨變性的定量診斷，T1ρ的診斷價(jià)值稍高于T2-mapping。

磁共振成像； T1ρ成像； T2-mapping； 軟骨； 股骨頭壞死

股骨頭壞死是骨科的常見病、疑難病之一，其特點(diǎn)是發(fā)病年齡較輕，當(dāng)病變進(jìn)展到終末期，人工關(guān)節(jié)置換成為唯一的選擇[1]，這將嚴(yán)重影響年輕患者的生活質(zhì)量。因此，臨床上對(duì)這類患者的保髖治療方案進(jìn)行了廣泛研究。但目前關(guān)于股骨頭壞死保髖治療的研究多致力于軟骨下骨的病變，關(guān)節(jié)軟骨的改變常被忽略，而關(guān)節(jié)軟骨的狀況對(duì)治療方法的選擇及預(yù)后判斷有重要作用。一般認(rèn)為，關(guān)節(jié)軟骨病變系骨結(jié)構(gòu)塌陷破壞后所致[2]，但對(duì)早期骨壞死是否引起關(guān)節(jié)軟骨的變化卻鮮有關(guān)注。傳統(tǒng)MRI檢查方法只能檢測到軟骨出現(xiàn)不可逆損傷時(shí)出現(xiàn)的形態(tài)變化，并無定量分析能力。MRI功能成像可從微觀分子水平對(duì)軟骨的生化成分進(jìn)行量化分析，為軟骨病變的早期診斷提供可靠的影像學(xué)依據(jù)。本研究主要通過T1ρ和T2-mapping成像技術(shù)定量檢測股骨頭壞死后軟骨變性的情況，并對(duì)兩者的診斷價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，旨在為臨床治療方案的選擇提供參考。

材料與方法

1.研究對(duì)象

將2013年2月-2015年2月在我院經(jīng)臨床及影像資料證實(shí)為股骨頭壞死的47例患者納入本研究。其中男26例，女21例，年齡16～58歲，中位年齡42歲。另將24例健康志愿者作為對(duì)照組納入本研究，其中男13例，女11例，年齡19～60歲，中位年齡41歲。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，受試者均簽署知情同意書。納入標(biāo)準(zhǔn)：①參照Mont等[3]提出的診斷標(biāo)準(zhǔn)及國際骨循環(huán)研究會(huì)(Association Reasearch Circulation Osseous，ARCO)的分期標(biāo)準(zhǔn)[4]，選擇股骨頭壞死ARCO Ⅰ～Ⅲ期的患者；②均為非創(chuàng)傷性股骨頭壞死者，且在治療前均行X線和MRI檢查。排除標(biāo)準(zhǔn)：①軟骨與周圍結(jié)構(gòu)辨別困難的ARCO Ⅳ期及Ⅲ期晚期患者；②創(chuàng)傷性股骨頭壞死者；③檢查前接受過有創(chuàng)檢查及治療者。

圖1 股骨頭壞死患者。a) 軟骨分角度測值模式圖，分別測量正中持重線及正負(fù)30°三處軟骨的定量參數(shù)，取其平均值作為最后的值； b) 實(shí)際測量圖，按照?qǐng)Da的方法進(jìn)行實(shí)際測量。

2.檢查方法

使用GE HDxt 3.0T磁共振儀和體部相控陣線圈，患者取仰臥位，雙髖同時(shí)掃描。掃描序列包括常規(guī)MRI序列、冠狀面多回波回復(fù)梯度回波(multiple echo recalled gradient-echo，MERGE)、T1ρ及T2-mapping序列，常規(guī)MRI序列包括軸位及冠狀面脂肪抑制T2WI、矢狀面T1WI、冠狀面LAVA FLEX。T1ρ序列的掃描參數(shù)：TR shortest，TE 1.3 ms，視野350 mm×320 mm，層厚4 mm，層間距0.5 mm，翻轉(zhuǎn)角20°，自旋鎖定頻率300 Hz ，自旋鎖定時(shí)間0、10、40和80 ms，激勵(lì)次數(shù)2。T2-mapping序列的掃描參數(shù)：TR 560 ms，TE 2.6 ms，視野350 mm×320 mm，層厚4 mm，層間距0.5 mm，翻轉(zhuǎn)角20°，自旋鎖定頻率256 Hz ，自旋鎖定時(shí)間0、10、40和80 ms，激勵(lì)次數(shù)2。MERGE序列的掃描參數(shù)：TR 405 ms，TE 10 ms，視野350 mm×320 mm，層厚4 mm，層間距0.5 mm。

采用GE AW4.5工作站進(jìn)行后處理。T1ρ和T2-Mapping圖像的后處理步驟基本相同，具體如下：①設(shè)置參數(shù)，生成相應(yīng)的T1ρ及T2-Mapping偽彩圖；②將偽彩圖和MERGE圖像相擬合，得到更清晰的偽彩圖；③計(jì)算定量參數(shù)T1ρ及T2-Mapping值。ROI為自由形狀，面積取4～6 mm2，避開股骨頭圓韌帶，選取股骨頭中心持重線-30°～30°之間的3處軟骨進(jìn)行測量[5]，取其平均值；ROI應(yīng)盡量最大程度包括股骨頭的軟骨部分，III期晚期患者應(yīng)盡量選擇靠近股骨頭一側(cè)進(jìn)行測量；盡量減少軟骨下皮質(zhì)骨及髖臼軟骨的干擾(圖1)。所有數(shù)據(jù)由2位影像科醫(yī)師獨(dú)立測量。

由2位影像科副主任醫(yī)師根據(jù)ARCO分期標(biāo)準(zhǔn)分別閱片，意見不一致時(shí)協(xié)商取得一致意見。ARCO分期標(biāo)準(zhǔn)[4]：Ⅰ期為X線檢查為陰性，MRI檢查可發(fā)現(xiàn)病灶；Ⅱ期為X線檢查有陽性發(fā)現(xiàn)，但股骨頭無塌陷，髖臼未見異常；Ⅲ期的早期可見新月征，晚期表現(xiàn)為股骨頭塌陷。

3.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用Pearson相關(guān)分析觀察T1ρ及T2-mapping值之間的相關(guān)性，并對(duì)兩者進(jìn)行ROC曲線分析，股骨頭壞死組及對(duì)照組的T1ρ和T2-mapping值的比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

47例股骨頭壞死患者中，ARCO分期Ⅰ期6例，Ⅱ期13例，Ⅲ期28例(其中早期18例，晚期10例)。

對(duì)照組和股骨頭壞死組的T1ρ及T2-mapping值及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1、圖2～4。兩個(gè)參數(shù)在兩組間的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

表1 兩組T1ρ及T2-mapping值及比較結(jié)果

Person相關(guān)分析對(duì)照組與各ARCO分期的T1ρ及T2mapping值呈正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)r=0.381，相關(guān)系數(shù)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01)。

對(duì)T1ρ及T2-mapping分別進(jìn)行ROC曲線分析(圖5)，結(jié)果顯示：T1ρ的曲線下面積為0.822(四分位數(shù)間距0.713～0.903)，當(dāng)診斷界值取40.58時(shí)，診斷敏感度和特異度分別為72.34%和70.83%；T2-mapping的曲線下面積為0.791(四分位數(shù)間距0.678～0.879)，當(dāng)取診斷界值取19.88時(shí)，診斷敏感度和特異度分別為72.34%和58.33%。得出T1ρ的診斷效能高于T2-mapping。

討 論

關(guān)節(jié)軟骨是一種由富含膠原、蛋白多糖的細(xì)胞外基質(zhì)和軟骨細(xì)胞構(gòu)成的結(jié)締組織，它能夠潤滑關(guān)節(jié)，并且最大限度地吸收和緩沖應(yīng)力作用。但是其內(nèi)缺乏血b) ARCO Ⅰ期，關(guān)節(jié)軟骨色階分布欠均，邊界清晰，表面毛糙； c) ARCO Ⅱ期，關(guān)節(jié)軟骨色階不均勻，邊界模糊，表面不光整； d) ARCO Ⅲ期，關(guān)節(jié)軟骨變薄，色階分布明顯不均勻，邊界欠清，表面不光整。

圖2 髖關(guān)節(jié)脂肪抑制T2WI，顯示隨著ARCO分期進(jìn)展，關(guān)節(jié)軟骨逐漸變薄。a) 對(duì)照組； b) Ⅰ期； c) Ⅱ期； d) Ⅲ期。 圖3 髖關(guān)節(jié)T1ρ圖。a) 對(duì)照組，關(guān)節(jié)軟骨色階分布均勻，邊界清晰光整； b) ARCO Ⅰ期，關(guān)節(jié)軟骨色階分布欠均，邊界清晰，表面毛糙； c) ARCO Ⅱ期，關(guān)節(jié)軟骨色階不均勻，邊界模糊，表面不光整； d) ARCO Ⅲ期，關(guān)節(jié)軟骨變薄，色階分布明顯不均勻，邊界欠清，表面不光整。 圖4 髖關(guān)節(jié)T2-mapping圖。a) 對(duì)照組，關(guān)節(jié)軟骨色階分布均勻，邊界清晰光整；

管和神經(jīng)，營養(yǎng)成分的供應(yīng)僅靠彌散運(yùn)動(dòng)來獲取，一旦受損將很難恢復(fù)，因此早期發(fā)現(xiàn)軟骨病變并采取預(yù)防保護(hù)措施對(duì)患者的病情至關(guān)重要。在解剖學(xué)上，軟骨、軟骨下皮質(zhì)骨及軟骨下小梁骨是組織結(jié)構(gòu)上緊密相鄰、功能上相互協(xié)同的單元體[1-2]。當(dāng)股骨頭小梁骨發(fā)生壞死時(shí)，邏輯上會(huì)使相鄰的軟骨下皮質(zhì)骨和軟骨易于遭受機(jī)械性及代謝性損傷。因此，研究股骨頭壞死過程中關(guān)節(jié)軟骨的變化對(duì)于臨床治療方案的選擇及患者的預(yù)后有重要意義。然而如何對(duì)關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估在臨床和科研方面仍是一道難題，本研究旨在從影像學(xué)角度利用MRI定量技術(shù)(T1ρ和T2-mapping)來檢測壞死股骨頭的關(guān)節(jié)軟骨損傷情況。

T1ρ和T2-mapping成像是近年來成為研究熱點(diǎn)的磁共振新技術(shù)，可以通過定量參數(shù)來間接反映關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)生化成分的改變，為軟骨損傷發(fā)生形態(tài)學(xué)改變之前的早期診斷提供了可能[5-6]。T1ρ值為一時(shí)間常數(shù)，用于評(píng)估運(yùn)動(dòng)受限的水分子與周圍大分子之間的低頻流動(dòng)信息。生理狀態(tài)下，關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)中的大分子限制了水分子的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)細(xì)胞外基質(zhì)發(fā)生病變時(shí)，如蛋白多糖丟失等，可以通過T1ρ弛豫時(shí)間探測出來[7-8]。有文獻(xiàn)報(bào)道，T1ρ可能受到生物組織內(nèi)多個(gè)因素的影響[9]。既往亦有研究顯示，T1ρ成像技術(shù)主要對(duì)蛋白多糖的檢測具有較高敏感性和特異性[10-11]。T2-mapping也稱為T2弛豫時(shí)間，主要是通過組織的橫向磁化衰減來量化分析不同的組織結(jié)構(gòu)[12]。有研究表明，T2-mapping對(duì)軟骨中膠原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水合作用、定位和完整性有較高的敏感性[13]。但由于各向異性的固體基質(zhì)內(nèi)水分的流動(dòng)受限等原因產(chǎn)生的魔角效應(yīng)，以及時(shí)間、負(fù)載及體位等因素均會(huì)影響T2-mapping值的穩(wěn)定性[14-15]?；诖耍狙芯恐饕獪y量股骨頭正中持重線-30°到30°扇形區(qū)域內(nèi)關(guān)節(jié)軟骨的T2-mapping值，并于固定時(shí)間段(20:00～23:00)進(jìn)行檢查，同時(shí)要求患者檢查前靜坐半小時(shí)，以此來減少魔角效應(yīng)及力學(xué)因素等對(duì)T2-mapping值的影響。除此之外，本研究還采用了MERGE序列，該序列具有信噪比及空間分辨率較高、磁敏感偽影較小、組織間對(duì)比較好等優(yōu)點(diǎn)[16]。因此，本研究將T1ρ及T2-mapping圖像與MERGE圖像進(jìn)行擬合，旨在提高圖像的空間分辨率及組織間對(duì)比，減少化學(xué)位移偽影及圖像變形，獲得更高質(zhì)量的T1ρ及T2-mapping圖像。

本研究結(jié)果表明，T1ρ及T2-mapping成像均可用于定量評(píng)估壞死股骨頭的關(guān)節(jié)軟骨變性情況，為股骨頭壞死患者關(guān)節(jié)軟骨病變的早期診斷及臨床治療方案的選擇提供參考。T1ρ及T2-mapping值呈正相關(guān)(P<0.01)，其原因可能是蛋白多糖與水分子的關(guān)系密切及股骨頭壞死軟骨變性機(jī)制比較復(fù)雜所致，其生化成分的改變并非孤立的，而是一個(gè)相互作用的過程，兩者從不同的側(cè)面間接反映出股骨頭關(guān)節(jié)軟骨變性組織化學(xué)成分的變化，同時(shí)兩者的不同空間分布上的差異可能提供互補(bǔ)信息，將兩者結(jié)合可提高對(duì)軟骨變性或損傷的早期診斷能力。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)T1ρ的診斷價(jià)值較T2-mapping高：①ROC曲線顯示，T1ρ的曲線下面積大于T2-mapping，且相應(yīng)的敏感度及特異度也高于T2-mapping；②從表1中可以看出，T1ρ值較T2-mapping值的分布范圍更大，可認(rèn)為T1ρ較T2-mapping敏感；③如前文所述，T2-mapping值相對(duì)不穩(wěn)定，多種因素均可導(dǎo)致T2-mapping值的變化；④由于自旋鎖定技術(shù)在T1ρ定量分析技術(shù)的應(yīng)用，降低了偶極間相互作用，因而與T2加權(quán)成像相比，T1ρ成像過程中對(duì)膠原纖維的依賴性小，同時(shí)提高了對(duì)蛋白多糖的敏感性。有研究提出， 蛋白多糖的丟失可能是發(fā)生軟骨損傷的起始環(huán)節(jié)，而此時(shí)膠原纖維的含量和結(jié)構(gòu)尚未發(fā)生變化[6]。

圖5 T1ρ及T2-mapping的ROC曲線，T1ρ的曲線下面積大于T2-mapping。

目前，關(guān)于關(guān)節(jié)軟骨定量分析的成像序列尚不成熟，本研究還存在一定的局限性：①髖關(guān)節(jié)軟骨成像較難清晰分割股骨和髖臼軟骨層，尤其是部分Ⅲ期晚期病例發(fā)生關(guān)節(jié)面塌陷、關(guān)節(jié)軟骨變薄，此時(shí)應(yīng)選擇靠近股骨頭的位置測量，盡量減少軟骨下皮質(zhì)骨及髖臼軟骨的干擾；②本研究的樣本量較小，且有病理證實(shí)的僅為部分行全髖置換的III期患者，而Ⅰ、Ⅱ期患者缺乏病理學(xué)證實(shí)；③如前文所述，T1ρ及T2-mapping成像技術(shù)仍存在一些局限性及不足之處，這就需要結(jié)合其它技術(shù)來全面觀察關(guān)節(jié)軟骨的變化。聯(lián)合多種磁共振成像技術(shù)對(duì)軟骨變性進(jìn)行大樣本研究是下一步研究的重點(diǎn)。

總之，T1ρ及T2-mapping可從不同側(cè)面反映股骨頭壞死關(guān)節(jié)軟骨的變性損傷情況，有望為股骨頭壞死患者關(guān)節(jié)軟骨變性損傷的早期診斷提供可能，且T1ρ較T2-mapping有更高的診斷價(jià)值。

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Quantitative MRI techniques of T1ρa(bǔ)nd T2-mapping in detecting cartilage injury following osteonecrosis of femoral head:a correlative study

HAN Xiao-rui,HONG Guo-ju,ZHAO Man,et al.

Department of Radiology,the First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine,Guangzhou 510405,China

Objectives:To study the diagnostic value of quantitative MRI techniques of T1ρ and T2-mapping in detecting cartilage damage of femoral head osteonecrosis.Methods:Twenty-four healthy volunteers (control group) and forty-seven newly diagnosed patients with osteonecrosis of femoral head (ARCO stage Ⅰ～Ⅲ) underwent conventional,MERGE,T1ρ and T2-mapping MRI examinations.The quantitative parameters values of T1ρ and T2mapping were measured,and the correlation between T1ρ and T2-mapping was analyzed by Pearson correlation analysis,and their diagnosis efficacy was evaluated by receiver operating characteristic curve (ROC).Results:The T1ρ and T2mapping values of the patient group were higher than those of control group with statistically significant difference (P=4.51 and -3.77,respectively;P<0.01).The values of T1ρ showed positive correlation with T2mapping (r=0.381,P<0.01).The maximum area under the ROC of T1ρ was 0.822,and the corresponding sensitivity and specificity were 72.34% and 70.83% respectively,its specificity was higher than that of T2-mapping (58.33%).Conclusion:Both T1ρ and T2-mapping MRI techniques can be used for quantitative diagnosis of the cartilage injury in patients with of femoral head osteonecrosis,the diagnostic performance of T1ρ is better than T2-mapping.

Magnetic resonance imaging； T1ρ； T2-mapping； Femoral head osteonecrosis； Cartilage

510000 廣州，廣州市第一人民醫(yī)院(韓曉蕊)；510405

廣州，廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院(洪郭駒、冷曉明)；510080 廣州，廣東藥科大學(xué)附屬第一醫(yī)院(趙曼)；510630 廣州，暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院(劉斯?jié)?

韓曉蕊(1990-)，女，山西呂梁人，住院醫(yī)師，醫(yī)學(xué)碩士，主要從事影像診斷和研究工作。

冷曉明，E-mail：359551056@qq.com

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014A020212594)

R445.2；R681.3；R681.7

A

1000-0313(2017)08-0866-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.08.018

2017-01-11

2017-02-26)