2＊mapping輔助MRI技術(shù)對差異性膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎軟骨損傷程度的診斷價值

李志剛，文 戈，杜立新，王 攀，趙云輝，蘭 鵬

1廣東醫(yī)科大學(xué)附屬龍華中心醫(yī)院（深圳市龍華區(qū)中心醫(yī)院）醫(yī)學(xué)影像科，廣東 深圳518110；2南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院影像教研室，廣東 廣州510515

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（OA）屬于膝關(guān)節(jié)軟骨損傷之一，近年來隨著我國居民生活方式的不斷改變以及人口老齡化問題的日益加劇，膝關(guān)節(jié)OA的發(fā)病率正呈逐年升高趨勢［1］。針對膝關(guān)節(jié)軟骨損傷退變，早期準(zhǔn)確的診斷和治療顯得尤為重要，對改善患者預(yù)后具有極其重要的意義［2］。而關(guān)節(jié)軟骨的退變至OA是一個由量變到質(zhì)變的過程，在分子水平上，先有生化成分的改變，之后才有結(jié)構(gòu)和形態(tài)的改變。針對關(guān)節(jié)軟骨退變的主要病理生理改變，MRI已成為膝關(guān)節(jié)OA的常規(guī)檢查方法，相較于既往常規(guī)檢查而言，該檢查方式具有無創(chuàng)、敏感、準(zhǔn)確等優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)外研究的熱點是定量MR成像技術(shù)，主要有：T2 mapping、T2*mapping、DWI及DTI來評估關(guān)節(jié)軟骨的水含量及滲透壓的改變；鈉磁共振成像、延遲釓增強磁共振軟骨成像來評估蛋白多糖的變化；以及DTI來評估膠原蛋白的變化等，但評估效果尚存爭議［3-4］。雖然T2 mapping在評價關(guān)節(jié)軟骨退變方面文獻(xiàn)報道較多，主要是基于多回波自旋回波（MESE）序列的T2值來反映軟骨內(nèi)成分的改變，且對軟骨內(nèi)的水及膠原纖維的變化較敏感，能有效檢測關(guān)節(jié)軟骨早期退變或損傷區(qū)域，間接反映蛋白多糖含量，可提高對膝關(guān)節(jié)軟骨損傷檢測的敏感度。但其缺陷是存在特異度降低，應(yīng)用于早期膝關(guān)節(jié)軟骨損傷評價方面的效果仍不理想，T2值與膠原蛋白含量是否相關(guān)尚存在爭議［5-7］，且存在掃描時間相對較長、圖像質(zhì)量較低及可重復(fù)性不強等問題。針對上述問題和缺陷，我們嘗試選擇在3.0 T常規(guī)MRI掃描的基礎(chǔ)上選擇T2*mapping成像序列來對OA進(jìn)行研究，利用T2*mapping軟骨生化成像手段、成像速度快、圖像分辨率高、能進(jìn)行三維各向同性評價等優(yōu)勢。相對T2 mapping技術(shù)而言，在一定程度上縮短了成像時間，同時提高了空間分辨率［3,8］。通過分析T2*mapping輔助MRI診斷技術(shù)評價差異性膝關(guān)節(jié)OA軟骨損傷程度患者的作用并進(jìn)行分析，旨在為膝關(guān)節(jié)OA的早期診斷提供一種行之有效的手段。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取我院2016年6月～2019年6月收治的膝關(guān)節(jié)OA患者46例作為病變組，其中男性32例，女性14例，年齡22～69歲（41.19±15.53歲）。納入標(biāo)準(zhǔn)：所有患者均存在不同程度的膝關(guān)節(jié)疼痛及功能障礙；年齡18周歲以上；入院前尚未接受任何相關(guān)治療；臨床病歷資料完整。排除標(biāo)準(zhǔn)：存在急性外傷及骨折者；入院前便已有糖尿病和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等其他內(nèi)科疾病者；既往有膝關(guān)節(jié)腫瘤或（和）手術(shù)病史者。另取正常健康志愿者7名作為對照組，其中男性5例，女性2例，年齡23～64歲（42.05±15.28歲）。兩組一般資料相比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。納入對象均在知情同意書上簽字，并有完善的醫(yī)院倫理委員會審批手續(xù)。

1.2 研究方法

使用Siemens Skyra 3.0 T超導(dǎo)磁共振成像儀。18通道膝關(guān)節(jié)線圈。檢查前要求患者靜坐30 min，隨后取仰臥位，保持膝關(guān)節(jié)自然伸直，先完成膝關(guān)節(jié)常規(guī)MRI掃描后，進(jìn)行基于FLASH（梯度回波）多回波序列的T2*mapping掃描，相關(guān)掃描參數(shù)如下：TR=784 ms，TE=4.84/12.37/19.91/27.48/34.99/42.53 ms，翻轉(zhuǎn)角60°，層厚3.0 mm，層間隔0.6 mm，F(xiàn)OV：160 mm×160 mm，矩陣：384×384，NEX：1，采集時間2min30s。

1.3 圖像分析

（1）將所獲取的圖像上傳至工作站，借助Mapit軟件包和PACS系統(tǒng)完成圖像的處理和分析。將融合TE=12.37 ms解剖圖以及T2*mapping圖像，適當(dāng)調(diào)節(jié)色階，以藍(lán)色表示T2*最低，紅色最高，綠色中等。以Siemens Syngo MMWMPver:1.8作為圖形工作站。由我院兩名經(jīng)驗豐富的MRI醫(yī)師采用雙盲法完成閱片；（2）選擇膝關(guān)節(jié)承重面，非承重面軟骨區(qū)放置ROI，重復(fù)測量3次，以平均值作為最終結(jié)果。其中承重面測量部位包括股骨內(nèi)、外側(cè)髁以及內(nèi)、外側(cè)脛骨平臺。以軟骨異常信號區(qū)作為ROI的放置部分，若無軟骨異常信號區(qū)，則隨機選取上述每個區(qū)域的任意3點，以平均值作為結(jié)果。非承重面測量部位涵蓋股前、股后及髕骨軟骨關(guān)節(jié)接觸面和非接觸面，上述各區(qū)域分別取3點進(jìn)行測量，以平均值作為結(jié)果。

1.4 評價標(biāo)準(zhǔn)

膝關(guān)節(jié)OA病情評估主要是參照Kellgren-Lawrence放射學(xué)診斷標(biāo)準(zhǔn)［9-10］完成：0級：無異常；Ⅰ級：關(guān)節(jié)間隙輕微變窄，伴或不伴骨贅；Ⅱ級：關(guān)節(jié)間隙輕微變窄，骨贅明顯；Ⅲ級：關(guān)節(jié)間隙變窄程度較明顯，且有中等量的骨贅以及硬化性改變；Ⅳ級：關(guān)節(jié)間隙變窄程度十分明顯，且有大量的骨贅以及硬化性改變或明顯畸形。將Ⅰ、Ⅱ級記為輕度OA，Ⅲ、Ⅳ級記為重度OA。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計數(shù)資料以率表示，行χ2檢驗；計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，行t檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 病變組與對照組膝關(guān)節(jié)不同區(qū)域軟骨T2*值對比

病變組膝關(guān)節(jié)股骨內(nèi)側(cè)髁、股骨外側(cè)髁、內(nèi)側(cè)脛骨平臺、外側(cè)脛骨平臺T2*值均高于對照組（P＜0.05，表1、圖1A～F）。

表1 病變組與對照組膝關(guān)節(jié)不同區(qū)域軟骨T2*值對比（ms,Mean±SD）Tab.1 Comparison of the T2* values of cartilage in different areas of knee joint in lesion group and control group

圖1 典型的膝關(guān)節(jié)軟骨偽彩圖Fig.1 Typical pseudo-color image of knee cartilage

2.2 病變組不同嚴(yán)重程度OA不同區(qū)域軟骨T2*值對比

重度患者股骨內(nèi)側(cè)髁、股骨外側(cè)髁、內(nèi)側(cè)脛骨平臺、外側(cè)脛骨平臺T2*值均高于輕度患者（P＜0.05，表2）。

2.3 病變組OA各區(qū)域淺深層軟骨T2*值對比

病變組OA股骨內(nèi)側(cè)髁、股骨外側(cè)髁、內(nèi)側(cè)脛骨平臺、外側(cè)脛骨平臺淺層軟骨的T2*值均高于深層軟骨（P＜0.05，表3）。

2.4 病變組OA股骨內(nèi)側(cè)髁、外側(cè)髁負(fù)重區(qū)與非負(fù)重區(qū)的T2*值對比

病變組OA股骨內(nèi)側(cè)髁、外側(cè)髁負(fù)重區(qū)的T2*值均高于非負(fù)重區(qū)（P＜0.05，表4）。

表2 病變組不同嚴(yán)重程度OA不同區(qū)域軟骨T2*值對比（ms,Mean±SD）Tab.2 Comparison of the T2* values of cartilage in different areas of different severity OA in the lesion group

表3 病變組OA各區(qū)域淺深層軟骨T2*值對比（ms,Mean±SD,n=46）Tab.3 Comparison of the T2* values of shallow and deep cartilage in each region ofOAin the lesion group

表4 病變組OA股骨內(nèi)側(cè)髁、外側(cè)髁負(fù)重區(qū)與非負(fù)重區(qū)的T2*值對比(ms,Mean±SD,n=46)Tab.4 Comparison of the T2* values of loading zone and nonloading zone of the medial and lateral condyles of the femur of OA in the lesion group

3 討論

長期重體力勞動、負(fù)重以及自身免疫性因素等均可能引發(fā)膝關(guān)節(jié)軟骨上皮細(xì)胞的損傷，繼而引發(fā)OA的發(fā)生［11-12］。尤其是合并吸煙史的患者中，OA的發(fā)病率明顯更高，遠(yuǎn)期關(guān)節(jié)功能障礙的發(fā)生風(fēng)險較高［13］。相關(guān)研究報道表明，OA患者的關(guān)節(jié)功能喪失幾率在8%以上，需接受關(guān)節(jié)置換術(shù)治療的患者占比超過15%，由此可見，對于OA的早期診斷具有極其重要的意義［11,14-15］。早期準(zhǔn)確的診斷有利于指導(dǎo)OA的早期干預(yù)，為甾體類抗炎藥物的應(yīng)用或軟骨保護劑類藥物的早期治療提供參考依據(jù)。迄今為止，關(guān)節(jié)鏡檢查是國內(nèi)外所公認(rèn)的診斷OA的金標(biāo)準(zhǔn)，可對不同類型以及損傷程度的OA實施診斷，然而，關(guān)節(jié)鏡檢查屬于有創(chuàng)檢查手段，且檢查費用較高，不利于推廣，同時無法動態(tài)檢查，難以對患者的病情進(jìn)行評估［16-17］。而隨著近年來膝關(guān)節(jié)MRI相關(guān)研究的日益深入，定量MRI成像技術(shù)在評估OA方面的應(yīng)用成為焦點，主要是在分子水平上，探討軟骨細(xì)胞、軟骨基質(zhì)及軟骨下骨三者代謝失衡，進(jìn)而發(fā)展軟骨退變的結(jié)果，發(fā)生的改變包括膠原纖維變性退化、蛋白多糖丟失、水含量降低以及水滲透改變。T2 mapping是目前研究較多評估關(guān)節(jié)軟骨退變的定量MRI成像技術(shù)，關(guān)節(jié)軟骨的T2值反映了軟骨的水及膠原蛋白含量，關(guān)節(jié)軟骨的退變直接導(dǎo)致T2值異常升高。但存在掃描時間較長、圖像質(zhì)量較低及可重復(fù)性不強、軟骨退變早期評價不理想、特異性不強等缺點［11,15-16］。

近年來，越來越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)通過計算機獲得的T2*值實施圖像重構(gòu)，可借助不同的ROI值，進(jìn)一步對不同組織平面上的T2*值的評估，繼而定量分析軟骨組成成分，同時完成病變嚴(yán)重程度的評估［8,17］。且T2*mapping輔助MRI診斷技術(shù)可評估軟骨表面以及深部組織，從而對軟骨內(nèi)部骨微觀結(jié)構(gòu)變化情況實施診斷，研究表明T2*mapping技術(shù)對早期膝關(guān)節(jié)軟骨退變的陽性率提高到63.7%［18］。相對于T2 mapping而言，T2*mapping具有成像速度快、圖像分辨率高、能進(jìn)行三維各向同性評價等優(yōu)勢。有關(guān)T2*mapping應(yīng)用于早期膝關(guān)節(jié)退變的研究報道不多，且MRI機器型號、場強不同、選擇序列缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)單一，以及僅僅對軟骨的T2*值量化，沒有進(jìn)一步分級分度研究等缺陷。正是基于上述情況，我們創(chuàng)新性地提出利用高場強（Siemens Skyra 3.0 T）測量關(guān)節(jié)軟骨的T2*值，并且根據(jù)OA的退變程度、軟骨的分層、負(fù)重與非負(fù)重區(qū)來分別測量對比，以觀察不同條件下T2*值的變化，從分子水平上反映OA的變化。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，病變組膝關(guān)節(jié)股骨內(nèi)側(cè)髁、股骨外側(cè)髁、內(nèi)側(cè)脛骨平臺、外側(cè)脛骨平臺T2*值均顯著高于對照組（P＜0.05）。有研究結(jié)果顯示［19］：膝關(guān)節(jié)OA患者股骨內(nèi)側(cè)/外側(cè)軟骨、脛骨內(nèi)側(cè)/外側(cè)軟骨的磁共振T2*Mapping成像T2*值均顯著高于對照組。兩項研究高度一致，說明T2*mapping輔助MRI診斷技術(shù)具有一定的診斷膝關(guān)節(jié)OA價值。分析原因，筆者認(rèn)為自由水質(zhì)子存在OA患者滑膜周圍組織的潤滑液體內(nèi)，從而導(dǎo)致軟骨組織T2*值的顯著升高；與此同時，OA病變過程中細(xì)胞外基質(zhì)成分會出現(xiàn)代償性增加，加之軟骨細(xì)胞的不同程度減少，從而引起軟骨微觀結(jié)構(gòu)的改變，最終促進(jìn)了T2*值的升高。此外，重度組患者股骨內(nèi)側(cè)髁、股骨外側(cè)髁、內(nèi)側(cè)脛骨平臺、外側(cè)脛骨平臺T2*值均顯著高于輕度組（P＜0.05）。這表明T2*mapping輔助MRI診斷技術(shù)可能是評估膝關(guān)節(jié)OA患者病情嚴(yán)重程度的潛在指標(biāo)。究其原因，本研究認(rèn)為隨著病情的不斷加劇，其微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)的嵌合水分子以及折疊的蛋白質(zhì)糖分子濃度隨之升高，從而使得磁共振成像過程中的T2*回聲信號增強，T2*值越高。另有相關(guān)研究報道表明，隨著OA患者軟骨損傷程度的不斷加重，關(guān)節(jié)軟骨的基底膜軟骨組織纖維排列紊亂越明顯，且細(xì)胞外基質(zhì)的占比越重，從而使得T2*值受部分容積現(xiàn)象以及化學(xué)位移等因素的影響而升高［20-22］。另外，病變組患者股骨內(nèi)側(cè)髁、股骨外側(cè)髁、內(nèi)側(cè)脛骨平臺、外側(cè)脛骨平臺淺層軟骨的T2*值均顯著高于深層軟骨（P＜0.05）。這和研究報道相一致［23］：膝關(guān)節(jié)OA患者股骨內(nèi)側(cè)/外側(cè)髁負(fù)重區(qū)的T2*值顯著高于非負(fù)重區(qū)。分析原因，可能和關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)生物化學(xué)成分以及生物力學(xué)的空間改變有關(guān)。本文結(jié)果還顯示了病變組OA股骨內(nèi)側(cè)髁、外側(cè)髁負(fù)重區(qū)的T2*值均顯著高于負(fù)重區(qū)（P＜0.05），導(dǎo)致該結(jié)果的主要原因可能在于：軟骨的特征在于區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)由差異性膠原纖維組織產(chǎn)生，豐富的地帶性差異可能表示骨關(guān)節(jié)炎軟骨的成分以及結(jié)構(gòu)變化的多面性，T2*弛豫時間受含水量、水分子和膠原纖維相互作用的影響，T2*值越高，反映了含水量越高，水分子的遷移率越高［24-26］。

綜上所述，相比文獻(xiàn)中常用的T2 mapping，T2*mapping的主要優(yōu)勢在于：時間分辨率提高，成像速度快（采集時間T2*mapping為2 min 30 s，T2 mapping為2 min 36 s）；空間分辨率高，軟組織對比度好，膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)顯示清晰；中高信號的軟骨層與其下面低信號的骨質(zhì)對比鮮明，有利于病變的顯示。本研究顯示應(yīng)用T2*mapping輔助MRI診斷技術(shù)對差異性膝關(guān)節(jié)OA軟骨損傷程度患者的診斷價值較高，能有效為患者病情的評估提供可靠依據(jù)，具有較高的臨床推廣應(yīng)用價值，T2*值有望成為差異性膝關(guān)節(jié)OA診斷和監(jiān)測早期軟骨退變的無創(chuàng)性影像學(xué)檢查指標(biāo)。不過，由于樣本含量有限，還需要大數(shù)據(jù)、多中心等更多的科學(xué)數(shù)據(jù)來確定T2*值評估關(guān)節(jié)軟骨退變的可靠性、有效性和潛在機制。